水文核技術
正文
利用核物理原理，主要利用同位素的特性，觀測和研究水文現象、水文過程和水體特性的一種技術。水文學中有些用常規方法難以觀測研究的問題，可利用核技術得到部分或全部解答，擴展研究範圍和認識深度。在水文研究中以有效、安全和經濟為目標，利用同位素的下列性質。① 放射性同位素具有隨時間按指數規律衰變的性質,處於某衰變階段的同位素就帶有相應的歷時信息,可作為一種時間尺度。例如,通過對地下水、大陸冰蓋、冰川中同位素碳－14所處衰變階段的分析，可推算地下水的年齡和冰蓋、冰川形成的地質年代。利用半衰期較短的同位素矽-32和氬-39，可對較年輕的地下水作計年分析；通過對1954年前後因熱核試驗產生的地下水中同位素氫-3（即氚）的濃度變化及其衰變性質的分析，可了解降水對地下水的補給狀況。
② 放射性同位素有發出一定種類輻射的性質，如γ射線、中子等。這些射線與周圍介質的相互作用同介質的性質有關。利用這種作用反映出的各種信息可以測定周圍介質的某些特性。如根據γ射線穿透清水和渾水時強度衰減程度的不同，可利用同位素銫-137和鎘-109等作為γ源，測定河流懸沙的含沙量；根據快中子在含水介質中的散射和能量損失特性，可利用同位素鎇-241等作為快中子源，在不取出土樣的情況下連續、快速測定一定範圍內的包氣帶含水量。此外，利用上述性質還可測定積雪深度、積雪水當量、洪水期河床變化等，所用放射源可按要求選定。
③ 放射性同位素有易被微量測定的性質，有的還不易被土壤、岩石等吸收,化學性質穩定,或本身就結合於水（如氚）,把示蹤劑置入水中或標記所研究對象,通過輻射探測對它跟蹤，便能直接反映出水流和被標記對象的運動信息。
這一性質主要套用於以下方面：第一，測定河川暢流期或封凍期流量。可用已知濃度的示蹤劑，以一定方式注入水流，並在一定混合長度的下游取水樣分析所含示蹤劑的濃度以推算流量。常用作示蹤劑的同位素有氚、銫-131、鐿-169、銣-86、溴-82等。為防止污染，也可在現場配製半衰期較短的同位素，如碘-132。用同位素測定河川流量一般只在其他方法難以收效時才採用。第二，測定地下水運動參數。常用同位素氚、溴-82、硫-35、碘-131、鉻-51、鈷-60和金-198等作示蹤劑。採用一處注入、多處檢測的方法，在井中可測出地下水流速、流向、擴散係數、滲透係數、給水度等，在水庫中可測出滲漏及補給，在岩溶地區可判定地下河系分布及流速、流量等。第三，研究流域產流和匯流。例如，用同位素溴-82或鉻-51、金-198、碘-131等作為示蹤劑攙入雨水或徑流中，可直接測定坡面和河槽匯流速度，降水下滲及表層流過程等。第四，研究流域侵蝕、河流底沙和水庫異重流的運動。通常用與上述相似的同位素以標記土壤和泥沙顆粒,進行跟蹤測定。第五,研究河口水文現象。可在淡水、鹹水中用不同的示蹤劑測定其界面、河口水流和潮流變化過程等。選擇適當的示蹤劑還可跟蹤近海海流的運動。用於示蹤的放射性同位素種類很多，除上述外,還有碳-14、磷-32、鈉-24、鈷-58、銅-64等。
④ 周期表中大部分非放射性元素，有被中子輻照後轉變為放射性同位素的性質，測量所生成的放射性同位素髮出的射線和能量等，就可決定某元素是否存在並計算出它的含量。利用這種中子活化分析方法，在水文研究中有多種用途。例如將天然水體中的水及懸移質樣本，經一定注量（積分通量）的中子輻照後，可測得其中微量級甚至痕量級的各種元素含量，從而確定水質和污染狀況。利用中子活化分析還可將非放射性物質用作示蹤，例如將某些便於與泥沙結合的元素，如鉭、銻等攙入泥沙、淤泥中，通過取樣活化分析，研究其運動。
⑤ 自然環境中的同位素之間，特別是同一元素的穩定同位素和放射性同位素之間，往往有某種依存比例關係和平衡態勢。可利用這種性質對環境作出評價和進行水量平衡分析。例如,天然水體中含有穩定同位素氫-2(即氘)約有320ppm,氧-18約有2000ppm,它們的變化和比例關係,常可反映河川水流中地表水與地下水(包括淺層地下水與深層地下水)的比例關係;當研究湖泊水量平衡關係時,可以建立相應的氫-2或氧-18平衡方程，並可利用同位素平衡方程來估算水平衡方程中的某項要素。上述研究中常用的同位素比還有:氘/氚、(氧-18)/(氧-16)、（碳-13）/（碳-12）、（硫-34）/（硫-32）等。此外，厚冰川層或冰蓋中的同位素狀態與氣候變化有一定關係，據此可進行古水文和古氣候的研究。
在水文觀測研究中套用核技術，必須保證人身健康和不污染環境，必須嚴格遵守國家有關法令和放射防護規定。同時，對套用核技術的工作人員必須進行專門訓練。
參考書目
IAEA，Guidebook on Nuclear Techniques in Hydrology，IAEA，Vienna，1968.
IAEA/Unesco,Stable Isotope Hydrology:Deuterium andOxygen-18 in the Water Cycle，IAEA，Vienna，1981.
IAEA,Isotope Hydrology1983，IAEA，Vienna,1984.
