地下水：科學家如何研究其污染和可持續性（20230322）
核解釋
Adam's Aly Diomandé，IAEA公共信息和傳播辦公室
含水層是一種多孔的含水岩石，可以從中提取水(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)。
地下水約佔世界淡水的30%，使其成為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采和採礦、服裝和紡織品製造等不同部門的用水量增加和畜牧業。為了保護地下水免受過度開採和污染的威脅，並在未來對其進行可持續管理，必須了解特定地點的地下水的來源、質量如何及補充速度。科學家可以通過分析稱為”同位素”的水”指紋”來進行此類研究，這些”指紋”是水分子中原子的變體。
什麼是地下水？
地下水是在地下發現的水。它可以隱藏在岩石和沈積物的裂縫和空間中，形成地下資源，存放在所謂的”含水層”中。根據地下水的特性或含水層的不同，可以利用抽水井抽取地下水，用於灌溉、飲用水和工業供水等人類活動。
含水層是如何形成的，我們為什麼要明智地使用它們？
地下水是水循環的一部分。降雨後，一些水滲入土壤，並在重力的驅動下，不斷向下遷移穿過底土並移動，直到最終被稱為隔水層的緻密、不透水的岩石擋住。在旱季，許多含水層都與河流和其他地表水體相連，並由河流和其他地表水體供水。在雨季，這個系統可以逆轉，地下水回流到河流和湖泊並補充它們。
含水層是水循環不可或缺的一部分，其補充率取決於降雨等因素(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)。
含水層的補給速度取決於補給發生地的氣候和環境。降雨量少的地區的含水層可能需要幾個世紀才能重新充滿。相比之下，大量降雨地區的淺層含水層幾乎可以立即得到補充。因此，氣候變化會導致更嚴重的乾旱，但也會導致更強烈的局部降雨，這會影響含水層再填充的速度，進而影響人們可持續使用的地下水量。
人類活動(如農業和工業)大量使用地下水，其規模超過含水層再填充的速度，不僅可能危及含水層的完整性(如果被抽乾，含水層可能會崩潰)，而且還會危及人們可以使用的全球水量，因為地下水構成了世界可用淡水的重要組成部分。
此外，地下水可能並不總是足夠乾淨供人類使用。在地表進行的人類活動，例如污水處理和過度使用殺蟲劑和化肥，包括動物糞便，是地下水污染和污染的主要來源。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(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)。
什麼是同位素，它們如何幫助科學家了解水？
水分子由氧原子和氫原子組成。同一化學元素的原子的某些變體，稱為同位素，可用於研究水循環，包括地下水。
同位素是具有相同質子數但中子數不同的相同元素的原子。
不同的”同位素”技術被用來測量同位素的數量和比例，並追踪它們的起源、歷史、來源和在環境中的相互作用。
水俱有不同或獨特的同位素”指紋”或”同位素特徵”，這取決於它來自哪裡。科學家通過分析同位素來追踪水在水循環過程中的運動和污染源。
科學家如何使用同位素來確定地下水是否被過度使用？
科學家在水的大規模研究中使用同位素來評估其數量、年代和來源，並確定人們使用的數量是否可持續。
例如，地下水中天然存在的放射性同位素，如氚、碳14和惰性氣體氦3、氦4和氪81，可用於了解更多有關地下水年齡和地下水流動時間尺度的信息。通過分析穩定同位素和放射性同位素的不同組合的濃度，科學家們可以計算出蓄水層中水補給的確切時間、地下水流動的速度以及補給所需的時間。有了這些數據，就有可能確定，例如，特定地區的農業活動是否需要一定量的地下水，而這些地下水的補充速度不足以維持長期的灌溉需求。
通過分析地下水中的同位素，科學家可以確定水的年齡，並根據人類活動抽取的水量推斷含水層需要多長時間進行補給(信息圖：Adriana Vargas/IAEA)。
科學家如何利用同位素研究地下水污染？
科學家使用氮15、氧18和硫34等特定同位素，來識別硝酸鹽和硫酸鹽等污染物。他們還使用這些同位素來確定特定位置的地下水，是否可供人類安全使用。
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化肥的污染。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。這些同位素的比例在人類廢物和肥料中是不同的。因此，可以根據這些同位素差異來識別污染源。了解污染物的來源是解決水質問題和致力於水資源可持續管理的里程碑。
IAEA的作用是什麼？
- IAEA利用同位素水文學支持成員國水資源評估和可持續水管理。IAEA還通過其同位素水文學實驗室，向實驗室和科學家提供分析服務方面的援助和培訓。
- IAEA提供廣泛的課程，提供同位素水文學基礎知識及穩定同位素、氚和稀有氣體同位素分析的培訓。
- 通過其技術合作計畫，IAEA與其成員國密切合作，通過基於科學的綜合水資源評估來提高淡水資源的可用性和可持續性。
- IAEA與世界氣象組織合作，運營全球降水同位素網絡，其中包括同位素水文學方面的科學建議、後勤和技術支持。