借助氚/氦-3技术管理水资源预算

源自《国际原子能机构通报》

管理水就像管理您银行账户的资金一样:您需要确切知道有多少钱进入,有多少可以取出,以及可能导致变化的原因。

科学家利用同位素技术研究摩洛哥北部泉水的年龄和来源。(图/摩洛哥国家核能、科学和技术中心)

管理水就像管理您银行账户的资金一样:您需要确切知道有多少钱进入,有多少可以取出,以及可能导致变化的原因。错误估计可能会产生严重的、可能持久的后果。在水世界中,这可能意味着水短缺或者水资源被污染、无法使用。

为了建立可靠的水资源预算,关键因素之一是了解水的确切年龄。对于更容易受当前气候条件和污染影响的新生水,科学家们使用氚/氦-3技术。通过这项技术和其他技术,来自23个国家的科学家正在与原子能机构合作收集有关水资源的数据。

“水的年龄可以说明它最可能的来源、补给速度以及被污染的可能性,”摩洛哥国家核能、科学和技术中心科学主任 Hamid Marah说。“利用氚/氦-3技术,我们可以知道水是1年、5年还是25年,而不仅仅认为它是新生、古老,或两者兼而有之。”

水的年龄可以从几个月到几百万年不等。例如,如果水是一年,这意味着它需要一年的时间来补充,更有可能受到当前气候条件和污染物的影响。如果水已有5万年的历史,则需要5万年的时间进行补充,并且不太可能受到当前气候变化的污染或影响。

几乎所有世界上可用的淡水供应都存在于含水层中,含水层是地球表面下的多孔渗透性岩层。它们含有的水被称为地下水。随着地下水的补给或补充,它最终流入大海或自然地流入地球表面,如河流、泉水和湖泊。

“对地下水的需求不断增长,加上农业、气候变化和人类活动的影响,使可持续性变得更加重要,” Marah说。“从含水层过多地提取水,水位会下降,这可能是灾难性的。我们谈的不是从现在起10到20年:它的影响持续几代。”

氚/氦-3技术是研究新生水即60年以下的水的最常用技术之一。从这些研究中收集的数据可以帮助决策者制定更有针对性和可持续性的水资源管理战略和政策。

“利用核技术进行水资源研究正在打破范式并改变我们对控制水文过程的关键驱动因素的传统理解,”哥斯达黎加国立大学同位素水文学家兼副教授 Ricardo Sánchez-Murillo说。“例如,在哥斯达黎加,使用同位素技术获得的结果正在为制订水管理计划和决定提供输入,帮助该国在2030年前实现联合国有关水问题的“可持续发展目标6”。

更准确的预算

在过去十年中,氚/氦-3技术已成为一种越来越重要的技术,之前仅使用氚的方法变得越来越不实用。

“氚可以告诉我们地下水的年龄以及它是否正在得到补给,这是非常重要的信息,但单靠氚无法为我们提供所需的详细程度。决策者需要了解更多:水新生意味着什么?多少年算新生?” Marah说。由于20世纪50年代热核装置的大气试验,大气中氚的含量在20世纪60年代急剧增加,此后逐渐下降。“从20世纪60年代到90年代,氚是一种良好的示踪剂,但目前大气中的氚含量较少,因为它已经衰变成氦-3,因此我们现在更多地关注氚与氦-3的比率,这更确切。”

氦是一种惰性气体,也就是说它是稳定的,不会与岩石或水中的其他元素发生化学反应。这使其成为一致且可靠的参考点。通过了解氚衰变后产生的氦即氦-3与水中氦总量的比率,以及其他惰性气体的浓度,科学家们可以确定新生水的确切年龄。

“惰性气体在水研究方面的应用不断增加,因为现在分析装置的改进足以检测出进入的极少量这些气体,”原子能机构同位素分析师 Takuya Matsumoto说,“但是,对于许多国家来说,建立自己的实验室进行这些分析是不经济或不可行的。原子能机构同位素水文学实验室向各国提供这项服务,使他们能够从这种复杂的技术中受益。”

原子能机构同位素水文学实验室是世界上少数几个能够进行这些分析的实验室之一。从2010年开始,原子能机构的一个小组和来自10个国家的外部专家花了6年的时间来建立、校准和测试原子能机构的质谱仪以及用于分析结果的数学模型。他们还制定了使用氚/氦-3技术的导则。从那时起,该实验室一直在全天候处理来自世界各国的样品,每年达300到400个。

water-chinese.jpg

存在于水中的天然存在的放射性同位素(例如氚(3H)和碳-14(14C))以及溶解于水中的惰性气体同位素(例如氪-81(81Kr))可用于估计地下水年龄。(图片来源:国际原子能机构)

A more exact budget

The tritium/helium-3 technique has become an increasingly important technique over the last decade because previous methods using just tritium are becoming less useful.

“Tritium can tell us the age of groundwater and whether it’s being recharged, which is very important information, but tritium alone cannot give us the level of detail we need. Decision makers need to know more: what does it mean that the water is young? How young is young?” Marah said.

Due to atmospheric tests of thermonuclear devices in the 1950s, levels of tritium in the atmosphere sharply increased in the 1960s and have since gradually declined.

“From the 1960s to 1990s, tritium was a good tracer, but today there is less tritium in the atmosphere because it has been decaying into helium-3, so we now focus more on the ratio of tritium to helium-3, which is much more precise,” Marah said. 

Helium is a noble gas, which means it is stable and does not have chemical reactions with other elements found in rocks or water. This makes it a consistent and reliable reference point. By knowing the concentration of helium that comes from tritium — helium-3 — compared to the total helium in the water, as well as the concentration of other noble gases, scientists can determine the exact age of young water. 

“The use of noble gases for water studies is growing because now analytical devices have improved enough to detect the very small amounts these gases come in,” said Takuya Matsumoto, an isotope analyst at the IAEA. “For many countries, though, it is not economical or feasible to set up their own labs to do these analyses. The IAEA Isotope Hydrology Laboratory makes this service available to countries so they can benefit from this sophisticated technique.” 

The IAEA Isotope Hydrology Laboratory is one of just a handful of laboratories in the world capable of performing these analyses. Beginning in 2010, a team of IAEA and external experts from ten countries spent six years setting up, calibrating and testing the IAEA’s mass spectrometer machine, as well as the mathematical model for analysing results. They also developed guidelines for using the tritium/helium-3 technique. The lab has since been working around the clock processing between 300 to 400 samples each year from countries worldwide.

groundwater-age-1140x640.jpg

Naturally occurring radioactive isotopes present in water, such as tritium (3H) and carbon-14 (14C), and noble gas isotopes dissolved in the water, such as krypton-81 (81Kr), can be used to estimate groundwater age. (Image: IAEA)