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水文核技术

[db:作者]2021-03-02 06:12:25农业百科5人已围观

简介水文核技术

  水文核技术 : 利用核物理原理, 特别是同位素的独特性质和作用, 观测和研究水体、水文现象和过程的方法。
原子核中质子数相等而中子数不等的元素为同位素, 有稳定和不稳定之分, 后者即放射性同位素。水文学领域中, 在有效、经济和安全的条件下, 可以利用同位素的一种或数种特有的性质和有关的核物理原理作为研究的手段。使一些常规方法难以观测研究,或达不到要求的专门问题, 有可能得到全部或部分解决, 核技术已成为近代水文学发展中的重要研究手段之一。
核技术在水文学上的应用有: ①测定江河流量,用已知浓度的氚、镱169、铷86、溴82等作为稀释法测流的指示物质, 从河段上游注入水流, 在下游测定其稀释倍数,推算流量。测量洪水常用氚。为防止污染,也有在现场配制短命同位素(如碘132)提供使用的。同位素流量测验只在其他方法难以收效时采用。②测定江河水库泥沙。利用核辐射, 以铯137或镅241等作为探头, 可以在水中连续测定悬移质含沙量。利用示踪方法, 以碳14、磷32、钠24、钴58、铜64等标记土壤、泥沙等颗粒, 可以研究流域和农田的侵蚀、河流底沙、水库异重流等。把便于与泥沙、淤泥结合的钽、锡等元素搀入, 然后由中子活化, 可用来研究泥沙运动。③测定土壤水分和容重。利用中子源 (如镅241—铍、镭226—铍、钋210—铍等)作探头, 可不取出和不扰动土样, 连续、重复、快速施测一定范围内的土壤平均含水量(见图) ; 用γ源(如铯137、镉109等)也可测定土壤容重, 并设法测定土壤水分。常将中子源与γ源联用组成核土壤湿度密度计。还可用γ源测定积雪深及雪水当量。④测定地下水参数。在一井或多井注入示踪剂, 然后进行检测, 可直接测定地下水的流速、流向、扩散系数、渗透系数、给水度等。在坝上投放,在下游或别处检测, 可研究水库渗漏。在岩溶区可用来确定地下河系分布及流速、流量。常用的同位素为氚、溴82、硫35、碘131、铬51、钴60、金198等。⑤研究地下水补给和年龄。1954年前后因热核试验使大气水、地表水中氚含量激增, 由核衰变可判断含水层是否接受过近期补给。还可用碳14对古老的地下水或用硅32、氩39、氪85等对较年轻的地下水作计年分析。⑥测定和研究水质。用中子活化方法对地表水、地下水、悬沙、城市污水等作出分析定量, 确定其特征、污染状况, 并鉴别其类型。⑦研究农业水文特征。利用中子源或γ源的辐射去研究土壤水分与作物的关系。如用钜147、锝99、铊204等的β射线测定叶片含水量。用示踪法以磷32等直接研究植株内水分的运移和平衡, 用氯36、钙45、氚、氮15等研究土壤和植株中可溶性盐分和营养物质随水分的运动和分布。⑧研究水源组成。利用氘/氚、氧18/氧16、碳13/碳12、硫34/硫32等的平衡关系分析水源组成和历史状况。而且利用氘、氧18等与水量平衡相似的某时段平衡方程,可对水体或农田推求出某项未知要素或求解河川流量中地表、地下(深层或浅层)水源的组成,也可利用锶89、锶90的比例关系,分析地表、地下径流。又如厚冰川层中环境同位素状态与气候变化有关,从而可进行古水文地理、历史降水研究。现已发现, 自然环境中的水(包括降水)几乎都不同程度地含有同位素,它们也有时间和空间变化,并参与水文循环和水分运动,这方面的研究是水文核技术应用的一项基础工作和长期任务,世界上已发展了很多大气降水和陆面水取样站网,并作长期连续观测。

中子土壤水分测定仪原理 1.电缆;2.导管;3.探头(深层型);4.前置放大器;5.慢中子探测器;6.快中子源;7.显示和记录系统;8.探头(表层型);9.所测土壤水分范围


水文研究和野外观测中应用核技术,如果严格执行有关防护规定和仪器操作规程,可保证人身健康和不污染环境。但当人体在短时间内接受超容许大剂量辐照时,可能发生急、慢性放射损伤即放射病;水源等被严重污染后将直接危害人民健康并可能对生态系统造成深远影响。所以工作人员应有专门训练。
在水文学中应用核方法,早期由核专业人员开始研究,1922年英国约勒(J. Joly)提出利用放射性同位素测量流量的方法。1941年庞特考佛(B. Pontecor-vo)提出中子测井,开始了不取样的实地土壤测定。到50年代初出现较廉的人工同位素后,才引起水文界的注意和学科合作。如1952年格尔德讷(W. R. Gard-ner)等将1950年美国用于机场跑道的中子法引入土壤水后,引起了大量研究和广泛应用,现已成为土壤水研究中首要的观测手段。1963年意大利冈弗蒂尼(Gonfiantini)等通过两个流域内河水同位素组成的研究,提出了分划流量过程的可能性,此后的发展已成为解决这一水文学难题的重要途径。现时,水文核技术几乎扩展到了地表、地下水文学中的所有领域。中国已研制了水文核仪器,并在河流泥沙测验和流量测验、底沙研究、水库渗漏以及土壤水分测定等多方面进行研究和应用。

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