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同位素水文学与水资源、水环境汪集(中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029)收稿日期:2002-06-09作者简介:汪集(1935-),男,中国科学院院士,研究员,长期从事理论和应用地热研究.同位素水文学(isotope hydrolog y)是20世纪50年代发展起来的一门新兴学科,它主要利用同位素技术解决水文学中一些关键问题.众所周知,同位素是指原子核内质子数相同中子数不同的那些原子,可分为稳定同位素和放射性同位素2种.前者指目前尚未发现存在放射性衰变的同位素,而后者则指具有放射性衰变的同位素.存在于自然界的上述2种同位素称为天然同位素或环境同位素,目前在水文学中常用的环境同位素有2H 、3H 、3H e 、4He 、13C 、14C 、18O 、34S 、36Cl 等.不同类型的水(海水、湖水、河水、地下水, ),其化学成分会有很大变化,但同位素组成却相对稳定.因此,水的同位素成分可视作水的指纹 (finger print)或 DNA .也正是基于这一点,水同位素或同位素水文学技术被广泛用来解决或帮助解决各类水资源、水环境问题,诸如水的成因、各类水(雨水、地表水、地下水)的相互作用及转化、地下水系统的封闭程度及水交替强度、各类水体的污染程度及污染源问题等.正是由于同位素水文学的重要性,目前在国际原子能机构(IAEA)内建有同位素水文学部,并设有一个设备齐全、技术先进的同位素水文学实验室.20世纪50年代后期,国际原子能机构(IAEA)与国际气象组织(WM O)共同建立了全球大气降水同位素监测网 (GNIP),自1961年起即向世界各国公布有关数据.最近,IAEA 正拟与联合国教科文组织(UNESCO)联手,在全球42条大江大河(包括我国长江在内)建立类似的水同位素监测网,这对推动同位素水文学的发展将起到不可限量的作用.我国同位素水文学的工作始于20世纪60年代,当时在珠峰地区曾取冰、雪样品做2H 、18O 同位素分析.之后,不同学者在北京、上海及我国东部地区对大气降水的2H 、18O 及3H 进行了测定,得出一些很有意义的结果.1988年,在水利部的大力支持下,我国首批建立的10个大气降水同位素监测站开始运转,并纳入IAEA/WMO 的GNIP 之中.目前,在GNIP 中的中国网站已增至30个.当前,水资源短缺及水环境恶化已成为全球性的大问题.据世界银行(World Bank)预测,若按现有的耗水模式及耗水速率继续下去,则至2025年全球2/3的人将生活在水资源短缺的窘迫状态之中.目前世界银行为解决水资源、水环境问题而投放到发展中国家的资金为每年700~800亿美元.全球对水资源的需求量在未来15年内将增加2倍.为此,包括IAEA 在内的联合国下属24个机构正在制定世界水资源评价计划,以根本解决水资源短缺问题.水多(洪水)、水少(短缺)、水脏(污染)亦是我国水资源、水环境面临的三大问题.黑河流域水资源短缺,太湖地区水环境退化、水污染问题严重已引起国务院的重视并要求切实加以解决.同位素水文学技术对解决上述问题将起到独特甚至是不可替代的作用.总之,机遇与挑战并存,风险与希望同在.目前正是我国在加速同位素水文学发展及水同位素技术中大显身手的大好时机.第27卷第5期地球科学 中国地质大学学报Vol.27 No.52002年9月Ear th Science Journal of China University of Geosciences Sep. 2002Isotope Hydrology and Water Resources plus Hydro -EnvironmentWANG J-i y ang(I nstitute of Geology and Geop hysics,Chinese A cademy o f Sciences,Beij ing 100029,China)Abstract:Isotope hy drology is a new discipline in earth sciences developed since 1950s.Its main targ et is to use isotope technique to solve various problems in hydrology.It is w ell know n that isotope refers to those atoms whose numbers of proton are the same but w hose numbers of neutron are different.Isotopes can be d-i vided into two ty pes:stable and radioactive.For stable isotopes,no radioactive decay has been found so far.But for radioactive isotope,there ex ists radioactive ually,the term natural and/or environmen -tal isotopes w ere used for the tw o types of isotope mentioned above.The environmental isotopes commonlyused in hydrology are:2H ,3H,3He,4He,13C,14C,18O,34S,36Cl,etc.It must be noted that for different types of w a -ter,such as sea w ater,lake water,river water and ground w ater,the isotope com position seems to be quite different but relatively stable,althoug h the w ater chemistry varies greatly.T herefore,the isotope composition can be,to certain degree,regarded as the finger print and/or DNA of the w ater.Also for this reason,the isotope com position in the w ater and the isotope hydrology technique are w idely used to solve various prob -lems in w ater resources assessment and hydro -environment evaluations such as the origin of w ater,the interac -tion of surface and g roundw ater,the rain -off w ater,the degree of openness of a groundw ater system ,the in -tensity of w ater cycling,the pollution deg ree and the pollution source of a w ater body.In recognition of the importance of isotope hydrolog y,an isotope hydrology section has been established in the International Atomic Energy Agency (IAEA)and an isotope hydrolog y laboratory is set up simultaneously w ith advanced technique and equipment.Since late 1950s,a Global Netw ork for Isotopes in Precipitation (GNIP)has been initiated jointly by IAEA and WM O (World Meteorological Organization)and all the data have been published since 1961.Recently,sponsored by IAEA/UNESCO,a similar global netw ork for isotopes in the large rivers in the w orld is under the w ay to set up.It is of significant importance in promoting isotope hydrology development w orldw ide.In China,isotope hydrolog y studies can be traced back to the late 1960s.In the scientific investigation of w ater resources in Jolmo Lungma reg ion,2H and 18O w ere determ ined in snow and ice sam ples.Since then,2H and 18O have been analyzed for precipitations in Beijing,Shanghai and East China by different researchers with g reat achievement.In 1988,Supported by the M inistry of Water Resources,the first 10stations ,for mon-i toring the isotopes in precipitation in China w ere established and now they have been included in the IAEA/WM O GNIP.At present,the total number of stations has increa sed to 30.Now adays,water resources shortage and hydro -environments degradation become more and more serious w orldw ide.According to the prediction by the World Bank,2/3world population w ill live in a serious water -shortage environment if we follow the present w ater -consuming model.At present,70-80billions of U S do-l lars has been offered to the developing countries to alleviate the annual w ater resources shortag e.The global demand for w ater resources w ill be doubled in the coming 15years.For this reason,altogether 24internation -al organizations including IAEA are w orking on a World Project for Water Resources Assessment to reduce the g lobal w ater shortag e. flood , w ater shortage and water pollution have become three main problems in China now adays.Both the w ater shortages in the Heihe river reg ion and the deg radation of hydro -environment in T aihu lake area have attracted g reat attention from the State Council.The isotope hydrology technique m ay play a particular role in solving these problems.All in all,opportunities and challenges co -exist and it is a right time to ex pedite the development of isotope hydrology in China.533第5期 汪集:同位素水文学与水资源、水环境。
同位素水循环-回复同位素是指具有相同原子序数（即原子核中具有相同质子数）但质量数不同的同种元素。
而水循环是指地球上水分的不断循环过程。
水分子具有三种同位素：氢的同位素氘（质量数为2），氧的同位素氧-18（质量数为18）和氧-16（质量数为16）。
首先，水循环是地球上水分不断循环的过程，包括水的蒸发、降水、地下水和河流循环，以及水分子在不同地理区域之间迁移的过程。
同位素是指具有相同原子序数但质量数不同的同种元素，而水分子具有三种同位素：氘、氧-18和氧-16。
水循环的第一步是蒸发。
当太阳照射到水体表面时，水分子中的激发能量会增加，一部分水分子的动能足够大，从液体状态转变为气体状态，即蒸发。
蒸发的过程中，会带走一些水分子，其中包括不同同位素的水分子，但不同同位素之间的蒸发速率有所差异。
蒸发后的水汽会升高到大气中，形成云。
云是由许多水汽凝结而成的，云中的水分子包含了不同同位素的比例。
氢同位素的氘和氧同位素的氧-18和氧-16会按照它们的质量进行分配，并且在降水过程中会进行区分。
第二步是降水。
当云中的水蒸气达到一定饱和度时，水分子会开始凝结成水滴或冰晶，并从云中降落到地表，形成雨、雪或冰雹等降水形式。
在降水过程中，不同同位素的水分子会以不同的方式分离和分布。
由于氘和氧-18相对于氧-16具有更大的质量，它们在降水过程中更容易沉积，因此降水中的氢同位素和氧同位素的比例会有所不同。
第三步是地下水和河流循环。
其中一部分降水渗入地下，形成地下水。
地下水的含有不同同位素的比例会受到地质和地下水流动的影响。
地下水有时会通过泉水或地下水脱溶等方式返回到地表，继续参与水循环。
另一部分降水会流入河流或湖泊等地表水体。
河流的水流是由降水和地下水补给的，其中的水分子包含了各种不同同位素的比例。
在河流循环中，水分子会沿河道流动，最终进入大海或湖泊，并再次蒸发或与海洋中的水下沉积物混合。
最后，水循环中的水分子也可以通过植物蒸腾进入大气中。
同位素水循环-回复同位素：同位素是指具有相同原子序数（即原子核中质子的数量相同）的元素，但质量数不同的不同原子核。
同位素通过核子数量的差异而具有不同的质量，这种差异导致同位素在化学和生物过程中的行为存在一定的差异。
水循环：水循环，又称为水蒸发-降水循环或水蒸发循环，是指在地球上水分由水域（如海洋、湖泊等）蒸发至大气中，形成云雾，随后降水（如雨、雪等）回到地表，最后流入水域的过程。
水循环是地球上水资源得以循环利用的重要机制，也是维持生态平衡和地球气候稳定的重要因素。
在水循环的过程中，同位素起着重要的作用。
由于同位素的质量数差异，同位素在水循环中的行为和传输方式存在差异，这对于认识和研究水循环具有重要的意义。
首先，同位素在水蒸发过程中可以起到示踪的作用。
通过对水蒸发过程中同位素的变化进行观测和分析，我们可以了解水分来源以及其在不同地区的传输过程。
比如，氢同位素（氘和氢-1）可以用于追踪地下水和地表径流水的源头，通过测量不同位置的同位素含量，可以确定水分的起源地和水流路径。
而在降水过程中，同位素也能够提供关于降水的有效信息。
通过对降水中同位素含量的测定，我们可以了解水分在大气中的传输和净化过程。
比如，氢和氧同位素的测量可以帮助我们了解降水中水分的来源和形成机制，从而为了解地球气候变化等提供重要线索。
此外，同位素还可以用于研究地球上淡水资源的循环和利用。
通过对地下水和地表水中同位素含量的测定，可以了解水分的充盈情况、水文循环过程以及水分的贮存和释放方式。
这对于水资源的合理开发利用和环境保护具有重要指导意义。
总之，同位素在水循环中的应用具有广泛的研究价值，可以为我们深入了解水循环的机制和过程提供重要的线索。
通过对同位素的测定和分析，我们可以追踪水分的来源和传输路径，了解地球上淡水资源的循环和利用，从而为有效管理和保护水资源提供科学支持。
因此，同位素研究在水循环领域的应用前景广阔，也将为我们认识和保护地球环境做出重要贡献。
同位素水文学齐孟文中国农业大学同位素水文学，是一门应用同位素理论与方法,根据天然的同位素指纹及水中溶质物质的同位素组成特征，对自然界水汽运动和循环过程中的水文学问题进行研究的学科。
自20 世纪50 年代末期提出以来,至今已得到长足的发展，在水文、水资源及环境地质等诸多领域，诸如水汽来源、降雨径流关系、干旱半干旱区水资源评价、地表水与地下水相互作用、地下水起源及测年、湖泊蒸发及换水周期、水体污染物的来源、地热资源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域应用十分广泛，方法学上也日臻完善。
1. 相关基本知识1.1同位素丰度的一般表示在用环境同位素进行相关示踪的研究中，示踪元素稀有稳定性同位素核素的丰度，常用与普通同位素核素的比率对参考物质的偏差δ给出，并以千分数表示：S/R δ(‰)10001-R R (reference sample×=）其中，R 代表同位素比率，如，下角标S 和代表样品和标准，的标准为标准平均海水 (SMOW),的为Pee Dee Belemnite(PDB)。
C C/R O,O/R H,H/R 121313161818122===和等R OD 18δδ、C 13δ物质相变过程的同位素分馏效应一般采用分馏因子α描述，其定义为同位素比率在两相中的比值，即 AB B/A R R =α 因1≈α,为明显起见，同位素效应常用同位素分馏ε表示，定义为 1-R R 1-A B B/A B/A ==αε 1.2蒸发过程的同位素效应自然条件下的蒸发，常为由裸露水面向不饱和大气所进行的非平衡过程，此时同位素效应是热力学和动力学分馏共同作用的结果，且为相关环境参数的函数，蒸汽中同位素构成可由Graig 和Gordon（1965）模型描述：diffdiff V/L A L V/L E -h -1--h -εεεδδαδ= 这里，A L δδ和分别为水体及水面上方自由大气的同位素构成，V/L α为水汽在两相平衡时的分馏系数，为温度的函数，由实验确定的计算关系，对分别为D O 18和233-V/L 18T 10137.1-T 4156.0100667.2ln ×+×=α 233-V/L 2T 10844.24-T 248.7610612.52-ln ×+×=α 另外，)0(1V/L V/L <−=αε,diff ε为动力学分馏（扩散），有diff diff )h -1(n Δ=φε式中，表示扩散亚层在完全扩展状态（diff Δ），，1n 10h ===φ时，重同位素的最大贫化Δ，对分别为-25.1‰和-28.5‰,。
同位素水循环同位素是指具有相同原子序数（即具有相同的质子数）但质量数不同的一类原子核。
因为同位素具有相同的原子序数，所以它们在化学性质上几乎无区别，但由于质量数不同，它们在物理性质上会有微小的差异。
同位素可以用原子核的符号表示，其中原子序数放在质子数的左下方，质量数放在右上方。
例如，氢的三个同位素分别为氢-1（质子数1、质量数1）、氢-2（质子数1、质量数2）和氢-3（质子数1、质量数3）。
同位素在水循环中起着重要的作用。
水循环是指水在地球大气圈、陆地和海洋之间的循环过程，包括蒸发、降水、漂移、再蒸发和地下水流等过程。
同位素的存在和转移可以通过水的同位素组成来追踪和研究水循环的过程。
在水循环中，同位素的分馏作用是指不同同位素在水循环过程中的分离和分布过程。
由于同位素在物理性质上的微小差异，它们在水循环过程中会有不同的迁移和聚集规律。
例如，在蒸发的过程中，重同位素（质量数较大的同位素）相对轻同位素（质量数较小的同位素）更容易蒸发，导致蒸发出的水中重同位素的含量较低，而降水中的重同位素含量相对较高。
这种分馏效应使得同位素可以被用来研究大气水循环的过程。
同位素分析是通过测量同位素的相对丰度来研究水循环的过程。
目前常用的同位素分析方法有稳定同位素分析和放射性同位素分析两种。
稳定同位素分析是通过测量同位素相对丰度的稳定性来研究水循环的过程，常用的同位素有氢同位素（例如氘和氢-1）、氧同位素（例如氧-18和氧-16）和碳同位素（例如碳-13和碳-12）等。
放射性同位素分析则是通过测量具有放射性的同位素的衰变过程来研究水循环的过程，常用的同位素有氚和碳-14等。
同位素分析可以用来研究水循环的过程和机制，以及水循环对全球气候和环境的影响。
例如，通过测量水中氘和氧-18的相对丰度，可以确定水源的地理位置和起源；通过测量降水和地下水中的同位素组成，可以研究水在大气圈和地下水层之间的转移和储存过程；通过测量冰川和冻土中的同位素组成，可以了解全球气候变化的历史和未来趋势。
水文循环概述一、概念及过程生物体需要持续不断的能量流和物质流，以维持它们的生存。
如果能量流和物质流停止了，生物将死亡。
所有的物质都由原子组成。
这些原子在生态系统中的生物体和非生物体之间循环。
这些活动包括生物学、地质学和化学过程。
因此，这些养分循环通常称为生物地球化学循环（biogeochemical cycle）。
首先介绍水文循环，然后对碳、氮、磷3种元素在群落内部以及生态系统的非生物和生物部分之间的流动进行介绍。
所有的水，都被锁定在一个连续不断的循环过程中，这个过程称为水文循环（hydrological cycle），如图3-1所示。
一个完整的水文循环过程包括了蒸发（水面、植被蒸腾、土壤、降水、下渗、径流等几个方面）。
水圈中的各种水体，通过蒸散发、水气输送、降水、下渗和地表径流等水文过程紧密联系，相互转换，形成一个巨大的动态系统。
该循环中包括水的蒸发和凝结两个重要过程。
蒸发涉及给液体分子增加能量，使液体变成气体，在气相中分子之间的距离更远。
凝结是一个相反的过程，在凝结中气体分子释放出能量，分子聚集得越来越紧密，最终变成液体。
太阳提供能量，使水从海洋表面、土壤、淡水水体和植物表面蒸发或散发。
从植物表面蒸发的水有两个来源：一部分是以雨水、露水或雪的形式降落在植物上的水；另一部分是植物从土壤中汲取并运送到其叶部，在叶子表面进行蒸腾。
这个过程称为蒸发蒸腾作用（evapotranspiration）。
自然界的水循环遵循一个简单的模式。
大气中的湿气凝集成小水滴，以雨或雪的形式降落到地面，供地球上的生物使用，并维持其生命。
水，或作为地表水，在地球表面流动；或作为地下水，在土壤中流动，最终回到海洋，通过蒸发返回大气，再次开始循环。
图3-1 水文循环过程流经地表并进入小溪和河流的地表水，称为径流（runoff）。
进入土壤并且未被植物根部所吸收的水，缓慢地通过土壤和地表下物质之间的缝隙，最终到达不透水的岩石层。
这种充满地底层缝隙空间的水，称为地下水（groundwater）。
同位素技术在水文学中的应用同位素技术在水文学中的应用一. 基本概念1 .同位素同位素：具有相同原子序数(即质子数相同，因而在元素周期表中的位置相同)，但质量数不同，亦即中子数不同的一组核素。
特点：相同元素同位素的化学性质相同。
同位素的分类：按照同位素是否衰变，可将同位素分为：放射性同位素和稳定同位素。
按照同位素是否是由人工产生的，可将同位素分为：天然同位素和人工同位素。
2.同位素技术同位素技术就是利用水中天然存在的环境同位素（如2H、3H、18O、14C 等）来标记和确定水的年龄、特征、来源及其组成，或者在水中加入放射性含量极低的人工同位素作为示踪剂来确定水的运移和变化过程。
前者称为环境同位素技术，后者称为人工同位素示踪技术。
2.1同位素技术方法的一般程序：第一，要按照一定要求，采集待测试的样品，并按规定进行包装；第二，把样品送到实验室进行测试；第三，根据测试结果进行仔细分析。
2.2同位素技术方法：第一，同位素丰度：反映同位素成分组成的指标是同位素绝对丰度和相对丰度。
第二，同位素分馏：由于同位素质量不同，因此在物理、化学及生物化学作用过程中，一种元素的不同同位素在两种或两种以上物质(物相)之间的分配具有不同的同位素比值的现象。
自然界中的化学反应、不可逆反应、蒸发作用、扩散作用、吸附作用、生物化学反应等过程都能引起同位素分馏。
同位素分馏系数（α）表示两种物质之间的同位素分馏程度，等于两种物质的同位素比值（R）之商，即а=R A/R B（式中：R A为分子在A或是A相态中重同位素与轻同位素的比值，R B为分子在B或是B相态中的重同位素与轻同位素的比值）二.同位素在水文学中的应用20 世纪50 年代开始，同位素技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题，随着同位素分析技术的发展，通过研究水体及某些溶解盐类的同位素组成，同位素技术和方法已经成为水科学研究的现代手段之一，同位素技术和方法可以有效地示踪水循环，如指示水的来源，水体的运移途径和数量，确定水的年龄，记录水岩相互作用的地球化学过程，环境同位素和人工同位素在水汽来源、地表水与地下水的相互作用、地下水起源及测年、水体污染物的来源以及气候变化和人类活动对水循环的影响等研究领域的应用十分广泛.为确定各类水体的成因和演化机制提供重要的依据，也为合理利用水资源奠定了基础。
