地下水与地下水的补给和排泄

地下水是指埋藏在地表以下各种形式的重力水，一般存在于岩石孔隙、裂隙和溶洞中，在重力作用下能够自由运动。地下水是水资源的重要组成部分，可作为城市供水、农田灌溉、工业用水的水源;例如，包括北京、石家庄、呼和浩特、太原等在内的多数国内城市都使用地下水作为常规市政供水水源之一或应急供水水源。

地下水的补给主要来自大气降水，当雨水落下、雪花融化，除了因蒸发散失的水分，其余的大气降水一部分直接汇入江河湖泊补给地表水，另一部分则向下渗入土壤、进入岩石、补给地下水;若地表水水位高于地下水，地表水也会渗入地下，补给地下水。相应地，若地下水水位高于地表径流，地下水会反补地表径流，即地下水泄流，是地下水排泄的一种重要方式;若地下水水位高于地表则会形成泉，泉是地下水的天然露头，也是地下水排泄的一种重要方式;此外，地下水的排泄方式还有人工挖凿或钻取的井以及蒸发作用等。

地下水年龄

由于地下水是流动的，且可能由新补给的地下水和老的地下水混合组成，以及定年方式的多样性，使得地下水年龄的概念在不同情况下有所差别。简单来说，地下水的年龄一般是指水在地表之下岩石孔隙裂隙中停留的时间，即从由大气降水或地表水补给成为地下水开始，到以泄流、泉水或井水的形式出露地表的时间;对某一研究区域而言，地下水年龄多指该研究区地下水的平均滞留时间。

地下水的年龄有助于更好地判断地下水和地表水之间以及不同层地下水之间的补给排泄关系、追溯地下水污染源、评估地下水资源等等。

目前地下水定年方法有①依据研究区的地质结构、补给量、排泄量、储存量等物理性质评估年龄的水动力学方法;②根据地下水中元素、同位素或化学物质含量特征得到年龄的水化学方法，水化学法又包括，氚法(3H)、氚氦法(3H-3He)、放射性碳法(14C)、宇宙成因核素法(10Be、32Si、36Cl)、稀有气体法(39Ar、81Kr、85Kr)、人工化合物标记法(SF6、CFCs)等等。其中，氚法地下水定年是提出比较早的传统方法。

放射性核素——氚

氢(Hydrogen)是元素周期表上第一个元素，氢元素有氕、氘、氚三种同位素;其中氕和氘是稳定同位素，而氚为放射性核素。氚会自发发生β衰变成为稳定同位素32He(31H → 32He + e-)，半衰期为12.3年;氚自然丰度很低，因此，人们使用“氚单位”(即TU，Tritium Unit)来度量天然水中氚的浓度，一个TU相当于1018个氢原子中含有一个氚原子。利用氚自发发生β衰变的特性，一般地下水中氚浓度由低本底液体闪烁计数器测定。氚与稳定氢同位素一样，可以参与组成自然界中的水(H2O)、氢气(H2)等物质。

地下水氚法定年原理

氚主要有两个来源，①自然成因：由宇宙射线中的快中子与氮原子核的反应生成(147N + n → 126C + 31H);由于数万年来宇宙射线的强度基本不变，因此天然氚的产率比较稳定，使得大气降水中天然氚的浓度也比较稳定，约为5−10 TU;②人为成因：由人类核试验或核设施产生;上世纪五六十年代，人类开始进行大规模的大气核试验，产生了大量人为成因的氚，使得大气降水中的氚含量快速增加，有记录显示大气降水中氚含量在1954年达~400−1000 TU，在1962年则已高达数千TU，之后由于人类核活动受到一定约束和氚随时间的衰变，大气降水中氚含量逐渐下降，大部分地区已降至100 TU以下。

正是由于人类核活动产生了大量的氚，使得60多年来不同年份的大气降水具有了独特的氚含量标记;因此，根据地下水样品中氚含量的测试结果，便可以反推大气降水对地下水补给的大致年份。例如，若研究区地下水样品中氚含量不足0.5 TU，则认为该区域地下水年龄早于1950年，没有得到人类核活动之后大气降水的补给;而若研究区地下水样品氚含量大于50 TU，推测该区域地下水主要来自1960−1970年的补给。为了获得更精确的地下水年龄(即补给年份和不同年份补给相对量)，一般会使用地下水样品中氚含量测试值结合地下水流动运输的数学模型进行定量分析，比如，全混模型、集总参数模型(包括扩散模型、混合模型、活塞流模型等等)。

地下水定年氚法特点

氚法是目前使用较为广泛的传统地下水定年方法;相比32Si、36Cl、39Ar等方法，氚法测试难度较低;并且，由于氚直接参与水分子构成，可直接反映地下水的年龄，而其它方法则是根据溶解在地下水的物质进行定年，比如，14C法是根据地下水中的溶解碳来定年。

但是，氚法仅适用于50−60年以内且有大气降水补给的浅层地下水定年;并且，由于大规模核试验已经距今60余年，人工3H浓度衰退，现代大气降水氚含量逐渐接近核试验之前的氚含量，使现代大气降水补给与60年前大气降水补给难以区分。此外，虽然人工核试验对大气降水氚的影响具有全球性，但是同一时间不同区域、同一区域不同季节的大气降水氚含量仍有差异;多数地区缺少60年来大气降水氚含量观测记录数据，常使用模型重建数据替代，从而可能产生偏差。

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