時間：2025 年 2 月 12 日 來源：IAEA
含水層是一種含水的多孔岩石，可以從中提取水
地下水約佔世界淡水的 30%，是解決當前全球問題的重要資源，例如世界人口增長、農業集約化以及石油和天然氣開採，以及採礦、服裝和紡織品製造與畜牧業等不同行業用水量的增加等。為了保護地下水免受過度開採和污染的威脅，並針對未來進行其可持續的管理，必須了解各特定位置地下水的來源、以及其品質與補充速度等。科學家可以透過分析被稱為「同位素」的「水指紋」來進行此類研究，同位素是水分子中原子的變體。
什麼是地下水？
地下水是位於地下的水。它可以隱藏在岩石和沈積物的裂縫與空間中，形成為地下資源存在於所謂的「含水層」中。根據含水層的特性，可以使用抽水井開採地下水，可供灌溉、飲用、工業供水和其他人類活動使用。
含水層是如何形成的而我們為何必須有智慧地使用它？
地下水是水循環的一部分。降雨後，一些水滲入土壤，在重力的作用下，不斷向下遷移穿過底土，直到最終被稱為隔水層的緻密、不透水的岩石所阻擋。許多含水層與河流和其他地表水體相連，並於旱季時由這些水體供應水。而在雨季時該系統可以逆轉，地下水會回流並補充水至河流和湖泊。
含水層是水循環整體的一部分，其補給率取決於降雨等因素
含水層補給的速度取決於補給地點的氣候和環境。降雨量少的地區的含水層可能需要幾個世紀才能重新填滿。相較之下，降雨量充足的地區的淺層含水層可能幾乎立即完成補充。因此，氣候變遷不僅會導致更嚴重的乾旱，還會造成局部降雨加劇，進而影響含水層的補充速度，以及人們可持續利用的地下水量。
人類活動（例如農業和工業）對地下水的大量使用，其規模超過了含水層的補給速度，這不僅可能危及含水層的完整性（含水層一旦被抽乾就有坍塌的危險），而且還可能減少全球人類可用的水量，因為地下水是世界可用淡水的重要來源。
此外，地下水可能不會總是足夠乾淨來適合人類使用。人類在地表進行的活動，例如污水處理以及過度使用農藥和化肥，包括動物的糞便，是地下水污染的主要來源之一。因此，了解污染物的來源是解決水質問題的第一步。
人類活動造成地下水污染的潛在來源
什麼是同位素？他們如何協助科學家去探討水？
水分子由氧原子和氫原子組成。同一化學元素中原子的一些變體，稱為同位素，可用於研究包括地下水的水循環。
同位素是同一元素的原子，具有相同的質子數，但有不同的中子數。
不同的「同位素」技術可用於測量同位素的數量和比例，並追蹤它們的起源、歷史、以及在環境中的相互作用。
水俱有不同的或獨特的同位素“指紋”或“同位素特徵”，取決於其來源。科學家透過分析同位素來追蹤水在水循環過程中的移動和污染源。
科學家如何利用同位素來確定地下水是否被過度使用？
科學家利用同位素對水進行大規模研究，評估水的數量、年齡和來源，並確定人類使用的水量是否是可持續的。
例如，地下水中天然存在的放射性同位素，如氚、碳-14，以及惰性氣體氦-3、氦-4 和氪-81，可用來進一步了解地下水的年齡和其流動的時間尺度。透過分析穩定同位素和放射性同位素的不同組合濃度，科學家可以計算出含水層中水的補給時間、地下水流動的速度以及補充所需的時間。利用這些數據，我們能夠確定某個特定區域的農業活動需要一定量的地下水，而該地下水的補充速度是否足以滿足其長期灌溉的需求。
分析地下水中的同位素，科學家可以確定水的年齡，並根據人類抽取的水量推斷出含水層需要多長時間才能補充
科學家如何利用同位素研究地下水污染？
科學家使用特定的同位素，如氮-15、氧-18 和硫-34 來識別硝酸鹽和硫酸鹽等污染物。他們也使用這些同位素來確認特定位置的地下水是否適合人類使用。
例如，科學家可以確定被過量硝酸鹽污染的水是否受到人類排泄物或肥料的污染。硝酸根離子由氮和氧組成，氮有兩種同位素，氧有三種同位素。在人類排泄物和肥料中，這些同位素的比例是不同的。因此，可以根據這些同位素含量的差異來識別污染來源。了解污染物的來源是解決水質問題和實現水資源永續管理的一個里程碑。
國際原子能總署的功能是什麼？
- 國際原子能總署利用同位素水文支援成員國進行水資源評估與永續水資源管理。國際原子能總署也透過其同位素水文學實驗室為實驗室和科學家提供分析服務支援與培訓。
- 國際原子能總署提供廣泛的課程，提供有關同位素水文學基礎知識，包括穩定同位素、氚和惰性氣體同位素分析等。
- 透過其技術合作計畫，國際原子能總署與其成員國密切合作，透過基於科學的全面水資源評估，以提高淡水資源的可用性和可持續性。
- 國際原子能總署與世界氣象組織合作，經營全球降水同位素網站，該網站提供同位素水文學的科學建議、運籌和技術支援。