示蹤技術(shù)在水文地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用前景

一、概述示蹤技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在水文地質(zhì)工作中的用途也很大。人工示蹤劑是人類有意識引入的非天然成分的示蹤劑，是一種非常有效的研究手段；這種方法可以將運(yùn)移參數(shù)量化，同時也可以很好地刻畫地下水特征。另外，采用示蹤劑可以直接進(jìn)行原位測試，選擇物理化學(xué)性質(zhì)合適的示蹤劑，還可以研究某些非常特殊的作用過程。在許多情況下，示蹤劑測試方法為測定某些特殊參數(shù)提供了最準(zhǔn)確或最實(shí)用的途徑；而在某些情況下，甚至成為唯一可靠的調(diào)查技術(shù)。示蹤技術(shù)不僅可以用來確定大范圍內(nèi)的地下水特征，而且還可以研究小范圍內(nèi)的溶質(zhì)運(yùn)移現(xiàn)象。人工示蹤劑技術(shù)在描述流動路徑和估計地下水流速方面的應(yīng)用已有幾百年的歷史。事實(shí)上，Kass（1998）指出，據(jù)猶太歷史學(xué)家FlaviusJosephus記載，大約在公元10年，就開始用谷殼作為示蹤劑，將約旦河的泉源與附近的池塘聯(lián)系起來。在19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，首次采用氯、氟和細(xì)菌對歐洲大型巖溶地區(qū)進(jìn)行了定量化的示蹤劑測試。第二次世界大戰(zhàn)之后，化學(xué)測試技術(shù)的進(jìn)步，使得測定極低濃度的示蹤劑成為可能，而且高頻率的取樣也變得經(jīng)濟(jì)可行。此外，技術(shù)的進(jìn)步也使得許多物質(zhì)都可以作為示蹤劑。歷史上，水文地質(zhì)學(xué)中應(yīng)用示蹤劑主要是用來確定巖溶地區(qū)的地下水流動。上世紀(jì)60年代，為了解地下水補(bǔ)給的控制因素，在基礎(chǔ)研究中采用了人工示蹤劑，顯著提高了對雨水到達(dá)潛水面的流動路徑的認(rèn)識。過去的30年間，放射性物質(zhì)和其它廢物處置問題推動了示蹤劑技術(shù)應(yīng)用于多孔介質(zhì)和基巖裂隙含水層中溶質(zhì)運(yùn)移現(xiàn)象的研究。例如，20世紀(jì)80年代在美國CapeCod和大型彌散試驗（MADE）點(diǎn)進(jìn)行了比較著名的大范圍的示蹤試驗，將野外觀測的溶質(zhì)彌散與通過非均質(zhì)含水層隨機(jī)分析預(yù)測出的宏觀彌散進(jìn)行比較。這些試驗促進(jìn)了對區(qū)域地質(zhì)的非均質(zhì)性、大尺度內(nèi)的水力傳導(dǎo)系數(shù)、吸附作用和溶質(zhì)運(yùn)移的限速過程的研究。測試結(jié)果已被用于評價污染物運(yùn)移數(shù)值模型的性能。示蹤技術(shù)作為水文地質(zhì)研究的一種工具，在過去的10年間得到了極大的發(fā)展。人工示蹤劑已有了許多新的研究，能更深入地研究不同的運(yùn)移現(xiàn)象，包括膠體促使下的運(yùn)移和裂隙基質(zhì)控制的運(yùn)移等。過去的10年間，許多關(guān)于示蹤技術(shù)的論文發(fā)表在《HydrogeologyJournal》和其它一些與地下水相關(guān)的期刊上。例如，Aggarwal（2002）注意到有關(guān)示蹤劑的文章大量增加，在1965～1970年間的水文地質(zhì)文獻(xiàn)中，關(guān)于同位素示蹤劑方面的論文有650篇；而在1995～2000年間，僅在地下水研究中的有關(guān)同位素示蹤劑的論文就有6500篇以上。示蹤劑測試盡管是一種非常有效的技術(shù)，但也面臨著挑戰(zhàn)，而且存在一定的局限性。特別是成功的測試需要以恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計為保證，需要有原始的水文地質(zhì)資料和初步的運(yùn)移模型。在許多實(shí)際應(yīng)用過程中，實(shí)際條件和成本因素會限制試驗的范圍和時間，這就可能要對測試結(jié)果進(jìn)行外推以預(yù)測大尺度內(nèi)溶質(zhì)運(yùn)移的結(jié)果。另外，當(dāng)多種運(yùn)移過程都非常明顯時，要準(zhǔn)確解釋示蹤結(jié)果會非常困難，此時就需要應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)據(jù)解釋方法。需要強(qiáng)調(diào)的很重要的一點(diǎn)就是要在大學(xué)和專業(yè)領(lǐng)域中集中開展有關(guān)示蹤劑測試的培訓(xùn)活動。聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）和國際原子能組織（IAEA）共同發(fā)起的國際水文學(xué)同位素聯(lián)合計劃（JIIHP），已經(jīng)開展了這方面的活動，其主要目的是在世界范圍內(nèi)推動了解（人工和天然）示蹤技術(shù)的教育計劃。盡管示蹤方法面臨著許多挑戰(zhàn)并且具有一定的局限性，但是在水文地質(zhì)學(xué)的一般場地調(diào)查和水文地質(zhì)基礎(chǔ)研究中，人工示蹤劑都有著極大的發(fā)展前景。下文將討論一些很可能成為常規(guī)應(yīng)用手段的人工示蹤劑技術(shù)和將來可能用于解決一些重要問題的新的復(fù)雜的示蹤方法。二、示蹤劑作為水文地質(zhì)研究的常用工具如前所述，人工示蹤劑多年來已被廣泛用于研究巖溶水的流動特征。然而，這種技術(shù)將逐漸成為刻畫其它類型含水層的水文地質(zhì)特征的標(biāo)準(zhǔn)手段，特別是對一些污染場地的研究，以獲取關(guān)于含水層基本特征（地下水流速、水力聯(lián)系）的信息、建立概念模型、校正數(shù)值流動和運(yùn)移模型、評價與污染相關(guān)的風(fēng)險。單井示蹤劑測試方法（Drost等，1968；Hall，1993；Brainerd和Robbins，2004）易于操作且成本低廉，可用來刻畫地下水流速以及其它水文地質(zhì)特征在局部和空間上的變化情況，因此發(fā)展?jié)摿O好。人工示蹤劑也逐漸被用于評價修復(fù)政策和工程系統(tǒng)的性能，例如，可以采用示蹤劑評價污染物的原位生物降解、電子受體/供體的利用率、稀釋效應(yīng)、生物降解技術(shù)的影響區(qū)域等（Brusseau等，1999；Alter等，2003）。由于示蹤源的長期維護(hù)簡單、經(jīng)濟(jì)，而且低濃度的溶解性氣體示蹤劑，如氦和六氟化硫也容易檢測，因此Sanford和Solomon（1998）提出利用這些示蹤劑評價水力截獲和污染物堵截。在過去的10年間，已經(jīng)采用相位分離示蹤劑，對地下非水相液體（NAPL）的體積和界面范圍進(jìn)行量化，但是由于這種技術(shù)成本相對較高和固有的不確定性，因此其使用受到一定限制。在許多人口數(shù)量大的半干旱地區(qū)，為增加地下水的儲存量，將多余地表水補(bǔ)給到地下（通過入滲池或注入井）的發(fā)展策略逐漸引起人們的關(guān)注。人工示蹤劑可以用來刻畫關(guān)鍵含水層的水力特征（滯留時間、流動路徑、滲透性變化等），據(jù)此可以采用靈活有效的管理方法（Heilweil等，2004；Clark等，2004）。人工示蹤劑技術(shù)也用于含水層脆弱性評價。例如，2003年4月，美國地質(zhì)調(diào)查局在供水井區(qū)進(jìn)行了一次示蹤劑試驗，出人意料的是示蹤劑的運(yùn)移時間短且濃度極高，在無意識的情況下將飲用水染成了紅色，影響了佛羅里達(dá)州邁阿密戴德郡近一百萬人口的生活。這一實(shí)例說明應(yīng)用示蹤劑技術(shù)時，要注意設(shè)計和規(guī)劃，并對測試結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。用于含水層脆弱性評價的示蹤劑包括專門用于評價細(xì)菌和膠體促使下的運(yùn)移（孢子、抗菌素和微球體等）的示蹤劑以及一些常規(guī)的保守型示蹤劑。當(dāng)在整個流域應(yīng)用示蹤劑技術(shù)時，許多研究都是采用人工染色示蹤劑來推斷流動路徑和地下水補(bǔ)給過程（Flury和Wai，2003；Weiler和Fluehler，2004）。例如，在地表水與地下水相互作用的研究中，人工化學(xué)示蹤劑被證明是量化這些聯(lián)系的特別有用的工具。目前氚/氦（3H/3He）和氯氟烴（CFCs、CFC-11、CFC-12和CFC-13）經(jīng)常被用于地下水混合物中一些較新組分的年代測定。三、示蹤劑在水文地質(zhì)研究中的應(yīng)用盡管已對多孔介質(zhì)中的溶質(zhì)運(yùn)移過程有了相當(dāng)多的認(rèn)識，但是對非均質(zhì)系統(tǒng)和基巖裂隙含水層中的運(yùn)移，仍需要考慮一些重要的基本問題，這是水文地質(zhì)學(xué)研究中人工示蹤劑技術(shù)最有發(fā)展前景的方向之一。在過去的30年間，人工示蹤劑技術(shù)極大的影響了對多孔介質(zhì)含水層中溶質(zhì)運(yùn)移過程的認(rèn)識。特別是在CapeCod和MADE場地進(jìn)行的大范圍示蹤劑測試，可以幫助我們很好地認(rèn)識野外條件下的彌散和混合過程，而且為野外水力傳導(dǎo)資料、室內(nèi)實(shí)驗和數(shù)值模型的隨機(jī)分析提供了基礎(chǔ)。Cherry（2003）和其他許多學(xué)者建議，為了解基巖裂隙含水層中的彌散和其它運(yùn)移過程，需要進(jìn)行等效條件下的測試。水文地質(zhì)研究中另一個特別引人關(guān)注的領(lǐng)域是應(yīng)用“智能化的”和其它一些專門的示蹤劑來研究焦點(diǎn)問題。納米技術(shù)在刻畫各種水文地球化學(xué)現(xiàn)象方面具有極大的發(fā)展?jié)摿?。已?jīng)被大量使用于生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)，可能也適用于水文地質(zhì)研究。例如，納米級化學(xué)示蹤劑可以明確刻畫地球化學(xué)條件，可能對以化學(xué)方法認(rèn)識含水層的非均質(zhì)性非常有用。然而，更多示蹤劑的使用，特別是基于納米技術(shù)的示蹤劑，可能會對環(huán)境、人類健康造成潛在的危害（Holmbedk-Pelham等，2000；Weiss，2004；Feder，2004）。在許多其它領(lǐng)域，一些專門的示蹤劑也有很好的應(yīng)用前景。前人工作表明，需要特別關(guān)注以下幾個研究領(lǐng)域：膠體和天然有機(jī)物（NOM）促使的運(yùn)移（McCarthy等，1998）、微生物活動（Ryan等，1999）、溶質(zhì)運(yùn)移時間和滯留時間的相關(guān)關(guān)系（Haggerty等，2004）、與pH值或氧化還原作用相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)移（Kent等，2002）以及潛流帶的生物化學(xué)作用（McKnight等，2002）。測試設(shè)計/最優(yōu)化和數(shù)據(jù)解釋方法的改進(jìn)最終會使人工示蹤劑測試技術(shù)的應(yīng)用前景更為廣泛。例如，F(xiàn)ield（2001，2003）討論了采用簡單的數(shù)學(xué)公式評價示蹤劑回收率的局限性和基于物理模型的測試設(shè)計的優(yōu)勢。顯然需要發(fā)展更為精密的數(shù)據(jù)解釋方法，以從示蹤數(shù)據(jù)中提取額外的信息，例如三維示蹤劑濃度的反演模擬（Jawitz等，2003）。另一個實(shí)例是通過開發(fā)更為精密的方法來區(qū)分物理和化學(xué)的運(yùn)移過程（Harvey和Garabedian，1991）。通過改進(jìn)化學(xué)分析方法，許多以前的示蹤劑測試技術(shù)可以得到進(jìn)一步提高。最后，為處理錯誤的或有缺點(diǎn)的示蹤數(shù)據(jù)，還要開發(fā)出更完善的技術(shù)，來對系統(tǒng)方法（包括誤差傳播和敏感性分析）進(jìn)行評價，對示蹤劑測試的不確定性進(jìn)行量化。四、結(jié)論辱人工示蹤劑測澡試技術(shù)是一種壁強(qiáng)大的研究工疼具，在水文地冶質(zhì)工作中已有勤相當(dāng)長的應(yīng)用位歷史，特別是油在研究溶質(zhì)運(yùn)寨移中具有非常項重要的作用。蠢盡管面臨著一堆定的挑戰(zhàn)和固幣有的局限性，驚但