1.3　同位素探测技术研究现状

1.3.1　放射性同位素示踪

放射性同位素示踪主要利用放射性同位素浓度随时间的变化规律探测地层的渗透流速,通过地层的渗透流速推断坝体的渗流情况。放射性同位素示踪探测地层渗透流速的主要依据是单孔稀释原理:在一定的水力坡降下,地基渗透性越强,通过钻孔断面的流量就越大,放射性指示剂的稀释速度也就越快。以少量放射性指示剂标记被检测的渗透水流,根据放射性指示剂在钻孔中被地下水流稀释的速率和被带出的方向,可确定地下水的运动规律[62]。稀释原理最早是由Kocherin于1916年提出的,随后一批学者(Borowczyk,1965[63];Borowczyk等,1967[64];Drost,1983[65],1986[66];Drost等,1968a,b[67];Guizerix等,1963[68];Moser和Neumaier,1970)发展了稀释理论,Moser在1957年第一次提出利用人工放射性同位素作为示踪剂应用于单孔测井,测量地下水流速和流向。在我国,最早由南京水利科学研究院同位素试验室在20世纪70年代开展了单孔稀释法的研究[62],随后江苏省农业科学院、河海大学等单位也相继开展了该研究,并研制了相关仪器。随着稀释理论的不断完善,世界各国科技工作者设计出了不同类型的单孔稀释法测流速装置[69]。20世纪60～70年代,德国慕尼黑放射性水文测量研究所设计的探头达到当时世界先进水平,该探头的上、下方分别安有橡胶栓塞,可同时测量流速和流向。1963年,法国塔拉诺布尔原子能委员会先后研制了两种测定渗透流速的装置,它由安装在内部的注射器、螺旋搅拌器和探测器等部分组成。1967年,奥地利维也纳综合勘测试验研究所研制的测定渗透流速的装置,它是在地面将指示剂溶液事先充入测量水柱,再把装置降到滤水管一定深度后进行测量的。另外,巴里大学、美国加利福尼亚大学、日本农学博士落合敏郎和印度巴巴原子核研究中心等也都研制了相关的利用放射性同位素测量单孔渗透流速的仪器。在我国,1979年由南京水利科学研究院研制出投放和测量放射示踪剂溶液的联合装置——核子地下水流速仪,冶金部勘察科学技术研究所、江苏省农业科学院、河海大学等单位也纷纷研制出了相应的测量地下水渗透流速的仪器[70]。

放射性同位素示踪技术在堤坝渗漏探测、水文地质调查、环境工程等多项领域中取得了成功的应用,具体实例参见文献[39,40,49,50,71-80]。

1.3.2　稳定同位素示踪

稳定同位素是一种很好的示踪剂,稳定同位素示踪技术在环境工程、微生物、水利工程等诸多领域中均取得了成功的应用[73,81-106]。利用稳定同位素探测堤坝隐患是近20年发展起来的一种探测手段,该方法在国内外都得到了应用,取得了很好的探测效果。

1.影响稳定同位素分布的主要因素

大气降水主要来自海洋形成的蒸汽团,蒸汽团不断凝结降水并发生同位素分馏。降水中的同位素随地理条件有规律地发生分馏,这些变化规律包括温度效应、高程效应、纬度效应、大陆效应和季节效应[40]。

(1)温度效应。降水的氢氧同位素组成和地面或云层温度有关,即δ值随月平均气温变化。温度升高,δ值随之增大;温度降低,δ值随之减小。

(2)高程效应。地形起伏比较大的山区,大气降水中δ2H和δ18O值随着地面高度的增加而逐渐降低的现象。

(3)纬度效应。大气降水中的稳定同位素组成随纬度的增高而降低的现象。

(4)大陆效应。云气团在前进的方向上,大气降水中的δ2H和δ18O值逐渐降低的现象。

(5)季节效应。大气降水量、大气温度、湿度都与季节有关,导致不同季节降水中同位素组成不同。

Craig根据设置在全球的气象站采集的降水中的同位素组分,得出全球雨水线方程式(1.1),即

水汽的蒸发也会引起同位素的分馏,由于重同位素分馏时较轻同位素需要更多的能量,因此轻同位素比重同位素容易蒸发,从而发生同位素分馏,导致剩余水体中的重同位素富集,水中的同位素值偏正。

2.稳定同位素探测原理

氢氧同位素探测堤坝渗漏的主要原理是:由于同位素的分馏作用,不同地区降水的同位素组成存在差异,不同水体的氢氧同位素组分也存在差异。由式(1.1)知,全球雨水线方程斜率为8。研究表明,受到蒸发分馏作用的水体中同位素组成一般在全球雨水线以下,蒸发线以上,蒸发线的斜率一般在4～6之间[59]。因此,利用同位素组成探测堤坝渗漏时,首先要采集库区所有水源的水样,并对水样进行稳定同位素组分分析。由于库水会发生蒸发分馏,因此库水同位素一般较大气降水偏正,应该在全球降水线下方,蒸发线附近。若渗漏水来自库水,则渗漏水中的稳定同位素组成分布应与库水相似。若渗漏水中的稳定同位素组成较库水偏正,则渗漏水受到比库水偏正的水源补给;若渗漏水中的稳定同位素组成较库水偏负,则渗漏水极可能受到比库水偏负的水源的补给。根据水中氢氧同位素的分馏规律,比较库水、量水堰水以及其他水源中氢氧同位素组成,可以确定不同水体之间的水力联系,以及不同水体的来源等问题,从而确定坝体中发生渗漏的位置。