示踪技术在水文地质学中的应用前景.doc

一、概　述 示踪技术的应用领域非常广泛，在水文地质工作中的用途也很大。人工示踪剂是人类有意识引入的非天然成分的示踪剂，是一种非常有效的研究手段；这种方法可以将运移参数量化，同时也可以很好地刻画地下水特征。另外，采用示踪剂可以直接进行原位测试，选择物理化学性质合适的示踪剂，还可以研究某些非常特殊的作用过程。在许多情况下，示踪剂测试方法为测定某些特殊参数提供了最准确或最实用的途径；而在某些情况下，甚至成为唯一可靠的调查技术。示踪技术不仅可以用来确定大范围内的地下水特征，而且还可以研究小范围内的溶质运移现象。 人工示踪剂技术在描述流动路径和估计地下水流速方面的应用已有几百年的历史。事实上，Kass（1998）指出，据犹太历史学家Flavius Josephus记载，大约在公元10年，就开始用谷壳作为示踪剂，将约旦河的泉源与附近的池塘联系起来。在19世纪末和20世纪初，首次采用氯、氟和细菌对欧洲大型岩溶地区进行了定量化的示踪剂测试。第二次世界大战之后，化学测试技术的进步，使得测定极低浓度的示踪剂成为可能，而且高频率的取样也变得经济可行。此外，技术的进步也使得许多物质都可以作为示踪剂。 历史上，水文地质学中应用示踪剂主要是用来确定岩溶地区的地下水流动。上世纪60年代，为了解地下水补给的控制因素，在基础研究中采用了人工示踪剂，显著提高了对雨水到达潜水面的流动路径的认识。过去的30年间，放射性物质和其它废物处置问题推动了示踪剂技术应用于多孔介质和基岩裂隙含水层中溶质运移现象的研究。例如，20世纪80年代在美国Cape Cod和大型弥散试验（MADE）点进行了比较著名的大范围的示踪试验，将野外观测的溶质弥散与通过非均质含水层随机分析预测出的宏观弥散进行比较。这些试验促进了对区域地质的非均质性、大尺度内的水力传导系数、吸附作用和溶质运移的限速过程的研究。测试结果已被用于评价污染物运移数值模型的性能。 示踪技术作为水文地质研究的一种工具，在过去的10年间得到了极大的发展。人工示踪剂已有了许多新的研究，能更深入地研究不同的运移现象，包括胶体促使下的运移和裂隙基质控制的运移等。过去的10年间，许多关于示踪技术的论文发表在《Hydrogeology Journal》和其它一些与地下水相关的期刊上。例如，Aggarwal（2002）注意到有关示踪剂的文章大量增加，在1965～1970年间的水文地质文献中，关于同位素示踪剂方面的论文有650篇；而在1995～2000年间，仅在地下水研究中的有关同位素示踪剂的论文就有6500篇以上。 示踪剂测试尽管是一种非常有效的技术，但也面临着挑战，而且存在一定的局限性。特别是成功的测试需要以恰当的设计为保证，需要有原始的水文地质资料和初步的运移模型。 在许多实际应用过程中，实际条件和成本因素会限制试验的范围和时间，这就可能要对测试结果进行外推以预测大尺度内溶质运移的结果。另外，当多种运移过程都非常明显时，要准确解释示踪结果会非常困难，此时就需要应用复杂的数据解释方法。需要强调的很重要的一点就是要在大学和专业领域中集中开展有关示踪剂测试的培训活动。联合国教科文组织（UNESCO）和国际原子能组织（IAEA）共同发起的国际水文学同位素联合计划（JIIHP），已经开展了这方面的活动，其主要目的是在世界范围内推动了解（人工和天然）示踪技术的教育计划。 尽管示踪方法面临着许多挑战并且具有一定的局限性，但是在水文地质学的一般场地调查和水文地质基础研究中，人工示踪剂都有着极大的发展前景。下文将讨论一些很可能成为常规应用手段的人工示踪剂技术和将来可能用于解决一些重要问题的新的复杂的示踪方法。 二、示踪剂作为水文地质研究的常用工具 如前所述，人工示踪剂多年来已被广泛用于研究岩溶水的流动特征。然而，这种技术将逐渐成为刻画其它类型含水层的水文地质特征的标准手段，特别是对一些污染场地的研究，以获取关于含水层基本特征（地下水流速、水力联系）的信息、建立概念模型、校正数值流动和运移模型、评价与污染相关的风险。 单井示踪剂测试方法（Drost等，1968；Hall，1993；Brainerd和Robbins，2004）易于操作且成本低廉，可用来刻画地下水流速以及其它水文地质特征在局部和空间上的变化情况，因此发展潜力极好。人工示踪剂也逐渐被用于评价修复政策和工程系统的性能，例如，可以采用示踪剂评价污染物的原位生物降解、电子受体/供体的利用率、稀释效应、生物降解技术的影响区域等（Brusseau等，1999；Alter等，2003）。由于示踪源的长期维护简单、经济，而且低浓度的溶解性气体示踪剂，如氦和六氟化硫也容易检测，因此Sanford和Solomon（1998）提出利用这些示踪剂评价水力截获和污染物堵截。 在过去的10年间，已经采用相位分离示踪剂，对