地下水：科学家如何研究其污染和可持续性

什么是地下水？

地下水是指在地下发现的水。水隐含在岩石和沉积物内的裂缝和空隙中，形成在所谓“含水层”中贮存的地下水源。取决于地下水特性和含水层类型，地下水可通过抽水井抽取，用于灌溉、饮用、工业供水及其他人类活动。

含水层是如何形成的？我们为什么应该明智地使用含水层？

地下水是水循环的一部分。降雨后，一些水渗入土壤，并在重力作用下，通过底土不断向下渗透，直到最终被称为滞水层的密实不透水岩石阻隔。许多含水层与河流和其他地表水体相通，并在枯水季由这些水源补给。在丰水季，这种情况相反，地下水回流进入河流和湖泊，对其进行补给。

什么是同位素？同位素如何帮助科学家了解水？

水分子由氧原子和氢原子组成。同一化学元素的原子的一些变体即同位素可用于研究水循环，包括地下水。

同位素是同一元素的具有相同质子数但不同中子数的原子。

利用不同的“同位素”技术测量同位素的数量和比例，并追踪它们在环境中的起源、历史、来源和相互作用。

水具有不同或独特的同位素“指纹”或“同位素特征”，这取决于其来源。科学家对同位素进行分析，沿着水在水循环中的途径追踪水的流动情况和污染源。

科学家如何利用同位素确定地下水是否被过度使用？

在大规模水体研究中，科学家利用同位素评定水量、水龄和来源，并确定人类的用水量是否可持续。

例如，地下水中天然存在的放射性同位素，如氚、碳-14和惰性气体氦-3、氦-4和氪-81，可用于更好了解地下水年龄和地下流动的时间尺度。通过分析不同的稳定和放射性同位素组合的浓度，科学家可以计算出含水层中水得到补给的准确时间、地下水流动有多快以及补给要多长时间。有了这些数据，就可能确定例如某一特定地区的农业活动所需的地下水量是否因补给速度不够快而无法长期维持灌溉需求。

科学家如何利用同位素研究地下水污染？

科学家使用特定的同位素，如氮-15、氧-18和硫-34来识别硝酸盐和硫酸盐等污染物。科学家还利用这些同位素来确定某一特定地点的地下水对人类使用是否安全。

例如，科学家可以确定受过量硝酸盐污染水是被人类排泄物还是肥料污染。硝酸盐离子由氮和氧组成，氮有两种同位素，而氧有三种。这些同位素的比例在人类排泄物和肥料中是不同的。因此，根据这些同位素的差异便可确定污染源。了解污染物来源是解决水质问题和实现可持续水资源管理的一个里程碑。

原子能机构的作用是什么？

• 原子能机构利用同位素水文学支持成员国进行水资源评定和可持续水管理。原子能机构还通过其同位素水文学实验室向实验室和科学家提供有关分析服务的协助和培训。
• 通过启动一系列课程，原子能机构提供有关同位素水文学基础知识及稳定同位素、氚和惰性气体同位素分析方面的培训。
• 原子能机构通过技术合作计划，与成员国密切合作，进行基于科学的全面水资源评定，从而改善淡水资源的可用性和可持续性。
• 原子能机构与世界气象组织合作，运行着全球降水同位素网，该网络包含同位素水文学方面的科学咨询、后勤和技术支持。