¿Cuáles son las nuevas direcciones de la investigación hidrológica moderna?
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Fuente: Zhihu.
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Desde los años 50 se han introducido diversas técnicas isotópicas en el campo de la investigación hidrológica, proporcionando una forma muy rápida y eficaz de estudiar las características del ciclo del agua, obteniendo así la edad de las aguas subterráneas, estimando el tiempo de retención de las aguas subterráneas, y determinar la relación entre diferentes cuerpos de agua. La proporción de mezcla y la conexión hidráulica juegan un papel insustituible.
Para resolver diversos problemas y desafíos en el desarrollo y utilización del área de estudio, y para estudiar y explorar de manera más integral las características del ciclo del agua del área de estudio, se puede utilizar la tecnología isotópica para investigar y analizar el sistema de aguas superficiales-subterráneas en el área de estudio, Comprender el origen, consumo, recarga, velocidad de circulación, conexión hidráulica y transformación mutua de los diferentes cuerpos de agua en el sistema para brindar mejor y más precisa información para una mejor investigación del ciclo del agua.
A principios de la década de 1950, la tecnología isotópica se introdujo en el campo de las ciencias del agua. En ese momento, la tecnología de rastreo de isótopos artificiales se utilizaba como la principal tecnología de isótopos, lo que resolvió con éxito algunos problemas en hidrología e hidrogeología [1], como el uso del método de rastreo de isótopos de un solo orificio para medir el caudal y la dirección del agua en el agua subterránea. campo de filtración. Sin embargo, el funcionamiento de los métodos de rastreo artificial está limitado por las condiciones, equipos e instrumentos del lugar y puede causar contaminación del agua, dañando así el medio ambiente ecológico. Por otro lado, el método de seguimiento manual es costoso y difícil de lograr un monitoreo dinámico continuo [2]. Por lo tanto, su alcance de aplicación es muy limitado y aún no se ha aplicado a gran escala.
Después de la década de 1960, el método principal de utilizar isótopos artificiales pasó gradualmente al método de utilizar tecnología de isótopos ambientales. La aparición de métodos de isótopos ambientales ha cambiado el modelo de los métodos tradicionales de investigación hidrológica y ha aportado nuevas direcciones al estudio de los procesos hidrológicos. Este método se basa en medir cambios en isótopos estables en la naturaleza para estudiar procesos hidrológicos, obteniendo así algunos datos clave que no se pueden obtener con métodos tradicionales [3], y se ha convertido en un método de investigación importante en el campo de las ciencias del agua, que es diferente. de los métodos tradicionales [4]. En términos generales, los dos isótopos de hidrógeno y oxígeno, deuterio (D) y 18O, son los isótopos más utilizados en entornos estables, principalmente porque son componentes de las moléculas de agua en la naturaleza y tienen una buena estabilidad química en la naturaleza. Son estas ventajas las que hacen que estos dos isótopos sean trazadores ideales [5]. Desde 1961, el Organismo Internacional de Energía Atómica y la Organización Meteorológica Mundial (OMM) han establecido la Red Mundial de Isótopos de Precisión (GNIP). La investigación sobre los isótopos de hidrógeno y oxígeno se ha desarrollado rápidamente y sus campos de aplicación han seguido ampliándose y expandiéndose. Por ejemplo, basándonos en la información isotópica contenida en la precipitación atmosférica, podemos predecir y descubrir las relaciones de transformación y recargar áreas de origen de ríos, lagos y diversas aguas subterráneas [6].
Después de las décadas de 1970 y 1980, debido al rápido desarrollo de la tecnología de isótopos, la tecnología de isótopos se aplicó gradualmente a la división de las líneas de proceso de flujo y los procesos de lluvia y escorrentía. Con la aplicación de estas dos tecnologías, la tecnología isotópica se ha convertido oficialmente en un método importante para establecer modelos hidrológicos. La aplicación de la tecnología isotópica en el proceso de escorrentía de precipitación utiliza principalmente deuterio (D) y 18O como trazadores para volver a analizar y estudiar la relación entre precipitación y flujo base en la escorrentía de precipitación. En la división de líneas de proceso de flujo, la tecnología isotópica proporciona principalmente una base física, que es muy completa. Pearce et al. (1986) dividieron el hidrograma de flujo en dos partes: precipitación y agua subterránea. Al mismo tiempo, basándose en el principio de conservación de la cantidad y masa del agua, se establecieron dos modelos de mezcla de flujo de agua. Después de eso, Dewalle igualó 1988. Utilizando los mismos principios y métodos anteriores, el flujo del suelo se separa del agua subterránea como un término, y luego el hidrograma de flujo se divide según la conservación de la masa, estableciendo así un modelo de mezcla de flujo de tres términos. Posteriormente, surgieron de forma interminable diversas aplicaciones y modelos basados en la tecnología isotópica, desde isótopos estables hasta isótopos radiactivos, desarrollándose con extrema rapidez [7].
Con la mejora de la tecnología de análisis de isótopos y la reducción de los costes de análisis, los isótopos se utilizan cada vez más en hidrología. Al mismo tiempo, cada vez más personas en China están aplicando la tecnología isotópica a la investigación hidrológica.
En China, la aplicación de la tecnología isotópica se centra principalmente en estudiar los segmentos de escorrentía, las conexiones hidráulicas y las relaciones de recarga y proporciones de mezcla entre diferentes masas de agua (o acuíferos), el origen y la formación de las aguas subterráneas, incluida la profundidad de la circulación de las aguas subterráneas, las fuentes de recarga y las fuentes de recarga. Elevación, y muchos estudios se centran en el origen del agua salada y el agua geotérmica, así como en los rastros de contaminación de las aguas subterráneas, los procesos de almacenamiento y transporte de fuentes de contaminación en el agua, el estudio de fugas en áreas de embalses o presas a través de isótopos ambientales y el paleoclima y paleoambiente. .
Basado en la ley de conservación de la masa y la ley de fraccionamiento de Rayleigh, el modelo de ecuación diferencial de la composición de isótopos estables que cambia dinámicamente con el tiempo en cuerpos de agua estacionarios y el modelo de ecuación parcial de la composición de isótopos indeterminados que Los cambios con el tiempo y el espacio en cuerpos de agua en movimiento se pueden derivar respectivamente. A través de métodos matemáticos, se demuestra teóricamente la conexión interna entre los modelos anteriores y se obtiene la relación cuantitativa entre la composición de isótopos estables y varios factores en la masa de agua en movimiento del río, incluidos principalmente el flujo, la velocidad del flujo, el coeficiente de desviación y la tasa de evaporación. , etc. , que proporciona una buena base matemática para la simulación numérica de información sobre la composición de isótopos estables en cuerpos de agua.
En China, la región sureste cerca del Océano Pacífico se ve afectada por el vapor de agua del monzón durante todo el año. En los últimos años, se ha convertido en un método muy común para rastrear la trayectoria de la circulación atmosférica del agua midiendo la información de isótopos estables de hidrógeno y oxígeno en cuerpos de agua como la precipitación. Durante la precipitación, la evaporación y la condensación provocan cambios en la composición isotópica de la precipitación.