示踪技术在水文地质学中的应用前景

示踪技术在水文地质学中的应用前景［美］CraigE.Divine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FlaviusJosephus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CapeCod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《HydrogeologyJournal》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，对地下非水相液体（NAPL）的体积和界面范围进行量化，但是由于这种技术成本相对较高和固有的不确定性，因此其使用受到一定限制。在许多人口数量大的半干旱地区，为增加地下水的储存量，将多余地表水补给到地下（通过入渗池或注入井）的发展策略逐渐引起人们的关注。人工示踪剂可以用来刻画关键含水层的水力特征（滞留时间、流动路径、渗透性变化等），据此可以采用灵活有效的管理方法（Heilweil等，2004；Clark等，2004）。人工示踪剂技术也用于含水层脆弱性评价。例如，2003年4月，美国地质调查局在供水井区进行了一次示踪剂试验，出人意料的是示踪剂的运移时间短且浓度极高，在无意识的情况下将饮用水染成了红色，影响了佛罗里达州迈阿密戴德郡近一百万人口的生活。这一实例说明应用示踪剂技术时，要注意设计和规划，并对测试结果进行预测。用于含水层脆弱性评价的示踪剂包括专门用于评价细菌和胶体促使下的运移（孢子、抗菌素和微球体等）的示踪剂以及一些常规的保守型示踪剂。当在整个流域应用示踪剂技术时，许多研究都是采用人工染色示踪剂来推断流动路径和地下水补给过程（Flury和Wai，2003；Weiler和Fluehler，2004）。例如，在地表水与地下水相互作用的研究中，人工化学示踪剂被证明是量化这些联系的特别有用的工具。目前氚/氦（3H/3He）和氯氟烃（CFCs、CFC-11、CFC-12和CFC-13）经常被用于地下水混合物中一些较新组分的年代测定。三、示踪剂在水文地质研究中的应用尽管已对多孔介质中的溶质运移过程有了相当多的认识，但是对非均质系统和基岩裂隙含水层中的运移，仍需要考虑一些重要的基本问题，这是水文地质学研究中人工示踪剂技术最有发展前景的方向之一。在过去的30年间，人工示踪剂技术极大的影响了对多孔介质含水层中溶质运移过程的认识。特别是在CapeCod和MADE场地进行的大范围示踪剂测试，可以帮助我们很好地认识野外条件下的弥散和混合过程，而且为野外水力传导资料、室内实验和数值模型的随机分析提供了基础。Cherry（2003）和其他许多学者建议，为了解基岩裂隙含水层中的弥散和其它运移过程，需要进行等效条件下的测试。水文地质研究中另一个特别引人关注的领域是应用“智能化的”和其它一些专门的示踪剂来研究焦点问题。纳米技术在刻画各种水文地球化学现象方面具有极大的发展潜力。已经被大量使用于生物医学产业中的纳米技术，可能也适用于水文地质研究。例如，纳米级化学示踪剂可以明确刻画地球化学条件，可能对以化学方法认识含水层的非均质性非常有用。然而，更多示踪剂的使用，特别是基于纳米技术的示踪剂，可能会对环境、人类健康造成潜在的危害（Holmbedk-Pelham等，2000；Weiss，2004；Feder，2004）。在许多其它领域，一些专门的示踪剂也有很好的应用前景。前人工作表明，需要特别关注以下几个研究领域：胶体和天然有机物（NOM）促使的运移（McCarthy等，1998）、微生物活动（Ryan等，1999）、溶质运移时间和滞留时间的相关关系（Haggerty等，2004）、与pH值或氧化还原作用相关的物质运移（Kent等，2002）以及潜流带的生物化学作用（McKnight等，2002）。测试设计/最优化和数据解释方法的改进最终会使人工示踪剂测试技术的应用前景更为广泛。例如，Field（2001，2003）讨论了采用简单的数学公式评价示踪剂回收率的局限性和基于物理模型的测试设计的优势。显然需要发展更为精密的数据解释方法，以从示踪数据中提取额外的信息，例如三维示踪剂浓度的反演模拟（Jawitz等，2003）。另一个实例是通过开发更为精密的方法来区分物理和化学的运移过程（Harvey和Garabedian，1991）。通过改进化学分析方法，许多以前的示踪剂测试技术可以得到进一步提高。最后，为处理错误的或有缺点的示踪数据，还要开发出更完善的技术，来对系统方法（包括误差传播和敏感性分析）进行评价，对示踪剂测试的不确定性进行量化。四、结论人工示踪剂测试技术是一种强大的研究工具，在水文地质工作中已有相当长的应用历史，特别是在研究溶质运移中具有非常重要的作用。尽管面临着一定的挑战和固有的局限性，但示踪剂仍可以提供最可靠的信息。人工示踪剂将逐渐成为一种常规的水文地质研究手段，特别是在刻画和管理污染场地方面。另外，在认识一些基本过程（例如岩石裂隙中的溶质弥散等）时，人工示踪剂将扮演至关重要的角色。在研究一些复杂的溶质运移现象时，也经常会用到特殊的示踪剂。示踪剂测试设计/最优化和数据解释方法的改进，将会进一步提高这项技术的应用能力。译自《HydrogeologyJournal》第13卷，2005年第1