水电工程地质勘察中的环境同位素方法

张世殊

文章摘要:西方较详细地介绍了氧－１８、氘，氚等环境同位素在水电工程地质勘察中的应用原理，列了国内几个大型水电工程针对工程质问题而开展环境同位素研究的应用实例，并对该方法的应用前景进行了展望。
文章主题:水电工程 地质勘察 环境同位素法 工程地质

文章内容：1997年第6期勘寨科学技术3一/水电工程地质勘察中噬兰堕一(电力工业部成都勘珂究院成都市610072)《车云提要本文较详细地介绍了氧一18(),氘(或),氚(或)等环境同位素在水电工程地质勘察中的应用原理,列举了国内几个大型水电工程针对不同工程地质问题而开展环境同位素研究的应用实侧,并对该方法的应用前景进蜇工展望.关键词查皇三尊亟盟塞,丝塑些耋墨?降水直线方程高程效厦氚法涮,龄锚够/次,^()1([&;)㈣1,0'几3.]洲—.】..拍-1引言二次世界大战后,在和平利用原子能浪潮的推动下,五十年代起国外开始把核技术特别是同位索技术应用于解决各种水文学和水文地质学问题.起初主要使用人工同位素方法,六十年代后发展重点转向环境同位紊方法,目前同位素技术已成为战后地学和水文学三大新技术之一,开始成为取得许多重要水文和水文地质信息的不可缺少的手段.作者筒介:张世球,男,27岁,工程师,水文地质工程地质专业,水电工程地质勘察中,水文地质条件作为主要的工程地质条件之一.是勘察工作各阶段都需要重点查明的方面.特别是大型,超大型水电工程的水文地质条件往往比较复杂,地下水补给范围广,渗流途径长,含水层层1次多,仅依靠勘探工作来查明这些条件既不经济,有时甚至无能为力.应用环境同位素方法,不仅可以解决这些问题,而且具有工期短,投资省,资料可靠的特点.随着同位素技术的发展,环境同位素方法在水电工程地质勘察中的应用也日益广泛.始素位同境环的勘察科学技术1997年第6期2环境同位素方法在水电工程地质勘察中的应用原理环境同位素系指存在于天然环境中浓度不固定的稳定同位素和放射性同位素虽常用的环境同位素有:稳定同位素氘(或.),氧一18(),碳13(),放射性同位素氚(或.)和碳一4("),其它一些有应用前景的环境同位素如硅一32(),硫一34("),氩一39()和氦一3(.)等,国内外正在研究或有所报导.当前在水电工程地质勘察中应用最广泛的是0,和.2.1稳定同住素氘(或),氧一8(")氘和氧8分别是氢()和氧()的稳定同位素,在海洋中的浓度分别为310和1990.分子类型为和0.两种同位素在天然水中的浓度变化可用同位素比质谱仪测定,并以8值方法表示:一(#一)/式中+为样品的同位素比值(/或/);为标准样的同位素比值(/或"0/);8值为以千分偏差表示的样品对标准样的偏离度和0的通用标准是(标准平均海水),其氢氧同位素的组成接近于大洋水.天然水中的和()含量间的关系可归纳为如下形式:—80一_没有经受蒸发的水其值等于8,大气降水的全球平均值等于1,即一88+这就是许多文献中所称之的.(克雷格)降水直线方程,应用它可以判定水样成因.当水因冷凝和蒸发而发生状态变化时,由于空气中不同种类同位素水分子的蒸汽压和扩散速度不同.就发生同位素分馏.分馏系数与绝对温度的关系为:10001一ⅱ+?一+?_"式中,为分馏系数,6,为系统的特定系数;丁为绝对温度在小范围及低温条件下,1001与,,成正比在同一地区,气温随高程增加而降低,因此大气降水中的稳定同位素具有高程效应+来源于不同高程的大气降水和不同补给高程的地下水的和"()含量就会存在差别,海拔越高其组成越低.同时也具有季节效应,水龟工程往往设有气象站和雨量站,可以计算出季节效应的影响.工程地质勘察中,应用环境同位素的这种差异和联系来识别水质的运移,以此确定地下水与地表水之间,地下水之间,地表水之间的水力联系.2.2赦射性同位氟(或)氚是氢()的放射性同位素,半衰期为2.43年,辐射低能射线(一18).天然水中氚的环境浓度通常以,,(氚单位)表示.把氚单位看作氚比值()更确切,1的同位素比管为/.一10_.升浓度为的水其放射性为0.121.降水中的环境氚有两种来源:其一产生于高层大气中宇宙射线成因的中子与氮原子的相互作用('+一+");这一成因的氚在不同地区的降水中,其浓度大约为5～2.其二为来源于1952年以来的热核试验所产生的人工氚,大气核试验以间歇脉冲的形式将氚混人大气层+致使1963年北半球降水中的氚浓度超过宇宙射线成因的三个数量级.自60年代中期以来氚浓度开始减小,但除一些热带和海洋地区外,其浓度仍大于核爆炸前的水平.利用氚的衰变作用可以测定地下水的年龄(称氚法测龄).自1952年人类开始热核试验以来,由于降水中氚含量的变化,直接利用氚来计算年龄有田难.通常用定性方法,定量方法和数学模拟法等.1997年第6期勘察科学技术15.定性方法据法国.丰特的经验估算法认为:～5说明是1952年以前的"古水"成份占优势;5～4表示新进的入渗水和"古水"之间有混合作用;&;40表明新进入渗水占优势许多情况证明这种估算具有一定实用价值.另外,木村重彦(日本《地下水调查手册》,1980),国际原子能委员会(,1972)同位素水文小组等也提出了确定年龄的建议..定量方法由于氚来源于大气层,降水或地表水入渗地下后,水中氚含量按它的半衰期衰减.因此如果能求取进入含水层的氚输入浓度,再通过测定地下水中的氚含量,采用符合地质情况的数学模型,就可计算地下水年龄由于氚的输入函数明显随时间变化,同时氚又随时间不断衰减,因而氚浓度的时间系列可用下列方程描述:0)一.0一)一0式中,()和.(—)分别为氚输出,输入函数;,()为年龄分配函数;为氚的自然衰减;为输出时间系列;为水在含水层中的滞留时问^为氚的衰变常数.对以放射性同位素信息建立的各种数学模型.都可统一于上述方程.只是其中的年龄分配函数不同.不同的年龄分配函数有不同的地下水年龄计算模型,如活塞流模型,指数模型,二项式模型等.常用的活塞流模型,()用狄拉克函数描述,输出方程为:(￡)一(～)利用此式可计算年份以前的历年降水中的氚值(卜一)分别衰减到的氚值,与年份地下水中实测氚浓度相比较,可大致确定地下水形成的年龄.由于我国大气降木氚背景值监测工作起步晚,氚背景值的恢复目前多采用与国际原子能委员会(1)的监测网(1在我国仅设立了一个香港监测站)资料相关比拟而得..数学模拟法