کاربرد ایزوتوپ های اکسیژن-18 و دوتریم در مطالعات هیدروژئولوژی
مقدمه:
از آنجایی که عناصر اکسیژن و هیدروژن از عناصر اصلی سیستم های هیدروژئولوژی زمین شناسی و بیولوژیکی هستند در سال های اخیر مطالعات در زمینه ایزوتوپ های پایدار این عناصر اهمیت ویژه ای پیدا کرده است.این روش های ایزوتوپی به عنوان ابزار مکمل روش های متد اول هیدروژئولوژیکی برای پاسخ به سوالاتی مانند هنگامی که باران می بارد آب آن کجا می رود ,چه مسیری را طی می کند, چه مدتی در حوضه جریان دارد و...معرفی شد تا به بهبود کلی درک ما از فرآیندهای حوضه آبریز کمک کند.
هیدروژن دارای یک ایزوتوپ پایدار2H یا دوتریم و یک ایزوتوپ ناپایدار3H یا تریتیم می باشد اکسیژن هم دارای سه ایزوتوپ پایدار اکسیژن معمولی16O اکسیژن نیمه سنگین17Oو اکسیژن سنگین 18Oمی باشد.از ادغام این ایزوتوپ ها با ملکول هیدروژن آب سبک با فرمول(H216O)و آب سنگین با فرمول (H218O,HD16O,D2O)تشکیل می شود.این ایزوتوپ ها به عنوان عناصر اصلی تشکیل دهنده آب ورودی به حوضه های آبریز اهمیت ویژه ای دارند.
کاربرد ایزوتوپ های اکسیژن-18 و دوتریم در مطالعات هیدروژئولوژی
اندازه گیری جریان رودخانه
مطالعات نشت آب ار کانالها
تعیین نرخ تغذیه آب های زیر زمینی
دینامیک دریاچه
تغذیه آبهای زیر زمینی
اثرات متقابل آب های زیر زمینی با آب های سطحی
تفکیک مولفه های جریان رودخانه
مخازن سدها
اندازه گیری جریان رودخانه
در مواد معمول که اندازه گیری جریان دبی آب رودخانه به دلیل سرعت کم و جریان های کم عمق و...مقدور نمی باشد و با 10تا15 درصد خطا همراه است استفاده از روش های ایزوتوپی با دقت بالا بهترین راه حل ممکن است
مطالعات نشت آب ار کانالها
از آنجا که برخی کانال های ایالتی و آبیاری بدون پوشش هستند این بحث وجود دارد که نشت آب از این کانال ها اتلاف در نظر گرفته شود یا باید جنبه مثبت آن یعنی تغذیه سفره آب های زیر زمینی تلقی شود در مطالعه ای به بررسی اثر نشت آب از کانال بین ایالتی در غرب نبراسکا پرداخته شد به این صورت که چاه های متعددی مجاور کانال حفر شد و جهت تجزیه و تحلیل ایزوتوپ های اکسیژن-18 و دوتریم نمونه برداری شد. نتایج شیمیایی و ایزوتوپی آب کانال,آب سطحی و آب زیر زمینی نشان داد که نشت آب از کانال سبب تغذیه سفره آب زیر زمینی شده به طوری که پوشش این کانال سبب افت سطح آب زیر زمینی مجاور کانال و در نهایت تاثیر منفی بر سفره زیر زمینی محلی دارد.
نرخ تغذیه آب های زیر زمینی
با افزایش روز افزون جمعیت و افزایش چاه های غیر مجاز کشاورزی برداشت از منابع آب زیر زمینی نیز افزایش می یابدبنابراین لازم است جهت مدیریت مصرف آب تخمین صحیحی از میزان تغذیه آب های زیر زمینی داشته باشیم. ایزوتوپ های اکسیژن-18 و دوتریم ابزاری قدرتمند برای برآورد تغذیه می باشند اما به این دلیل که بیانگر میزان تغذیه در یک محدوده کوچک هستند تاکنون برای تخمین تغذیه در حوضه های بزرگ چون آبخوان استفاده نشده اند.
دینامیک دریاچه
بهره برداری بهینه از دریاچه ها وا بسته به درک صحیح از دینامیک آنها است.دینامیک شامل فرآیندهای مختلف شامل انتقال آلودگی ها و بیلان می باشد .منظور از بیلان جریان های سطحی زیر سطحی تبخیر و بارش می باشد که در یک دوره زمانی مشخص قابل محاسبه است. با استفاده از قانون بقای جرم برای ایزوتوپ های اکسیژن-18و دوتریم می توان روش های ایزوتوپی را برای تعیین بیلان دریاچه به کار برد.
تغذیه آب های زیر زمینی
در تحقیقی که بر روی تغذیه آب زیر زمینی در آفریقا صورت گرفت نشان داد که اندازه گیری تغییرات محتوای ایزوتوپی نشان داد که دو فرآیند سبب تغذیه آب های زیر زمینی می شود1-نفوذ کند از طریق آب های سطحی که به دلیل تبخیر باعث اختلاط آب های زیر زمینی با ایزوتوپ های سنگین2-نفوذ سریع از طریق منافذ بزرگ که در این مطالعه نشان داد نفوذ سریع سهم70 درصدی در تغذیه آبخوان دارد.
اثرات متقابل آب های سطحی و زیر زمینی
وجود آلودگی در منابع آب های سطحی باعث آلودگی منابع آب های زیر زمینی می گردد از این رو بررسی ارتباط بین منابع آب های سطحی و زیر زمینی اهمیت بسزایی دارد.از آن جا که در بررسی فعل و انفعالات آب های سطحی و زیر زمینی با استفاده از روش های معمول شیمیایی نمیتوان به نتیجه رسید به کمک آنالیز ایزوتوپی می توان میزان اختلاط آب های سطحی با زیر زمینی را از 7 تا 86 درصد تشخیص داد.
تغییر اقلیم
نسبت ایزوتوپ های آب (18o/16o – 2H/1H) رابطه معنا داری با هم دارند . داشتن تصوری از چگونگی تاثیرات اقلیم منوط به درک درستی از این نسبت ها است.از آنجا که همبستگی زیادی بین درجه حرارت هوا و نسبت ایزوتوپی بارش در سراسر جهان وجود دارد بنابراین ایزوتوپ های پایدار را می توان برای بازسازی اقلیم گذشته به کار برد.
نتيجه گيرى
در حال حاضر تحقيقات در زمينه ايزوتوپ های محيطى اهميت زيادی پيدا كرده است، زيرا اين عناصر ييكره ی اصلى سيستم ها هيدرولوژيكى، زمين شناسى و بيولوژیكى را تشكيل مى دهند. بطور كلى روشها ی ردیابی از جديدترين بيشرفتهای علمی در مطالعه منابع آب هستند و مى توانند استنباط و درك بهترى از چرخه آب و در نتيجه اطمينان به موفقيت در برنامه ريزى منابع آب و رسيدن به هدف را بدهند. از آنجایي که بکارگیری روش ها ی هيدرولوزيكى معمول در آب هاى سطحى راحت تر مى باشد، دامه كاربرد ايزوتوپ های پایدار در هيدرولوژی آب های سطحى به گستردگى كاربرد آن در منابع آب زیر زمینی نمی باشد. اما در برخى موارد، روش ها مرسوم جوابوگوى نيازهای مطالعا تى نمى باشد و لذا نياز به استفاده از ابزار خاصى مى باشد. بر خلاف، اندازه گيرى ها ی نقطه ای درون حوضه ای، مانند مواردى از فبيل مقدار بارند گي، سطح آب و يا تركيب آبها زيرزميني. رد ياب هاى ابزوتوپی را می توان بدون برونيابى و يا پيش فرض هاى اضافى در ارتباط با رفتار حوضه مورد استفاده قرار داد. نتايج حاصل از استفاده از اين ايزوتوبها در برخى مناطق دنيا ببانر نقش موثر ايزوتوپهای پايدار اكسيژن و هيدروژن با دامنه کاربرد وسیع در بهود كبفيت اندازه گیرى ها يا تهبه اطلاعات اضافى که به روشها مرسوم عملى نبوده است، مى باشد.