Tìm hiểu về nước luôn là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm, không chỉ giải quyết vấn nạn thiếu nước ngọt ở các khu vực sa mạc hay các vùng thường xuyên hạn hán mà còn giải đáp rất nhiều câu hỏi liên quan đến cấu trúc địa tầng, lịch sử trái đất. Nước được chia thành hai dạng hình thành là nước chôn vùi (ngầm sâu trong lòng đất) và nước được hình thành từ khí tượng, có bổ cấp. Kỹ thuật Thuỷ văn đồng vị là một phương pháp nghiên cứu địa chất thuỷ văn tiên tiến đã và đang được sử dụng để tìm hiểu về nước và khả năng có bổ cấp hiện đại của các tầng chứa nước sâu cũng như để tìm hiểu biến đổi nhiệt độ môi trường trong quá khứ phục vụ nghiên cứu biến đổi khí hậu hiện nay.
Ngày nay, kỹ thuật hạt nhân đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Địa chất thuỷ văn đồng vị cũng là một trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật hạt nhân trong nghiên cứu Địa chất thuỷ văn. Các kết quả nghiên cứu Địa chất thuỷ văn bằng phương pháp đồng vị ở nhiều nước trên thế giới đã khẳng định tính chất ưu việt của phương pháp này đó là độ tin cậy và hiệu quả kinh tế cao. Đồng vị là nguyên tử của cùng một nguyên tố, có số proton giống nhau nhưng khác nhau về số notoron trong hạt nhân (khác nhau về khối lượng). Đồng vị có hạt nhân ổn định gọi là đồng vị bền, đồng vị có hạt nhân không ổn định có khả năng tự phân rã, phát ra tia phóng xạ, tạo thành một đồng vị mới gọi là đồng vị phóng xạ. Các đồng vị xuất hiện trong môi trường tự nhiên, có thành phần thay đổi không phụ thuộc vào tác động của con người gọi là các đồng vị môi trường. Các đồng vị môi trường được sử dụng nhiều trong nghiên cứu Địa chất thuỷ văn là các đồng vị bền của Oxy (O-18), của hydro (H-2), của Cacbon (C-13) và các đồng vị phóng xạ Triti (H-3), Cacbon (C-14).
Các đồng vị môi trường trong chu trình thuỷ văn (Nguồn: Environmental isotopes in the hydrological cycle, Technical documents in hydrology No.39 Vol.1 UNESCO, Paris, 2000)
Đại dương là bể chứa đồng vị bền lớn nhất hành tinh, hàm lượng đồng vị bền trong nước đại dương được chọn làm tiêu chuẩn gọi là SMOW (Standard Mean Ocean Water). Hàm lượng đồng vị bền của một loại nước bất kỳ được đo bằng giá trị tương đối so với SMOW, ký hiệu bằng δ, đơn vị là ‰ SMOW. Có thể tóm tắt quy luật phân bố của các đồng vị bền trong nước thiên nhiên như sau: Trong khí quyển, các đồng vị bền phân bố theo quy luật giảm dần từ thấp lên cao (hiệu ứng độ cao), từ xích đạo về hai cực (hiệu ứng vĩ độ), từ biển vào lục địa (hiệu ứng lục địa) và theo sự tăng của cường độ mưa (hiệu ứng lượng mưa). Ngoài ra, thành phần đồng vị còn thay đổi theo mùa, nước mưa mùa hè giàu đồng vị nặng hơn mùa đông.
Nước sông phản ánh thành phần đồng vị của nước khí tượng. Tuy nhiên, các sông lớn thể hiện sự pha trộn đồng vị của nước mưa qua nhiều vùng có điều kiện khí hậu khác nhau, còn nước sông nhỏ phản ánh rõ thành phần đồng vị của nước mưa địa phương. Sự thay đổi thành phần đồng vị của nước sông so với quy luật chung của chúng cho phép phát hiện sự cung cấp của nước dưới đất cho nước sông ở từng khu vực và thời gian quan sát cụ thể và ngược lại. Trong vòng tuần hoàn chung của nước tự nhiên, giữa khí quyển và nước dưới đất có liên hệ trực tiếp với nhau. Nước trong thổ nhưỡng và nước trong các tầng chứa nông được cung cấp trực tiếp bởi nước mưa và nước mặt, chúng phản ánh thành phần đồng vị đặc trưng của loại nước này. Nếu có sự thay đổi nào đó thì nghĩa là đã có sự pha trộn giữa chúng với các loại nước khác. Nước dưới đất thường là hỗn hợp của hai hay nhiều loại nước có nguồn gốc khác nhau, do sự pha trộn của nước trẻ với nước chôn vùi hoặc nước nguyên sinh. Dựa vào thành phần đồng vị, có thể xác định được nguồn gốc chủ yếu của loại nước.
Bằng cách đo tỷ lệ giữa các đồng vị nặng và nhẹ trong các vùng nước ngầm, các nhà khoa học có thể giải mã nguồn gốc và chuyển động của khối nước ngầm. Khi nước ngầm trong tầng ngậm nước ‘cũ’, điều này có nghĩa là dòng nước chậm và tầng chứa nước có thể mất nhiều thời gian để bổ cập. Ngược lại, nước ngầm trẻ dễ dàng và nhanh chóng được làm mới bằng nước mưa, nhưng cũng có thể dễ dàng bị ảnh hưởng bởi ô nhiễm hoặc bị thay đổi theo các điều kiện khí hậu. Những hiểu biết về niên đại của nước mang lại cho các nhà khoa học những giải pháp tốt để làm tăng cường tốc độ bổ cập cho các tầng nước ngầm đang khai thác. Trong thủy văn, một số đồng vị phóng xạ xuất hiện tự nhiên có trong nước, chẳng hạn như đồng vị phóng xạ khí triti (H), carbon-14 (14C), được sử dụng để ước tính tuổi nước ngầm. Tuổi này có thể từ một vài tháng đến cả triệu năm. Do các đồng vị này phân rã theo thời gian, hàm lượng của chúng giảm dần theo năm tháng. Hàm lượng cao hơn có nghĩa là nước ‘trẻ hơn’, trong khi hàm lượng thấp hơn có nghĩa là nước ‘già’. Ví dụ, nước ngầm có lượng triti có thể phát hiện được có thể lên tới khoảng 60 tuổi, trong khi đó nước ngầm không có triti phải cũ hơn. Trong khi triti được sử dụng để xác định niên đại nước ngầm được bổ cập trong thời gian gần đây (khoảng 60 năm trở lại), carbon-14 được sử dụng cho nước có tuổi thọ lên tới 40 000 năm và krypton-81 cho nước có thể lên đến cả triệu năm.
Chất ô nhiễm trong nước mặt và nước ngầm đến từ nhiều nguồn khác nhau như nông nghiệp, công nghiệp hoặc chất thải của con người hoặc có thể có mặt tự nhiên do các quá trình địa hóa diễn ra trong các tầng chứa nước. Nông nghiệp, công nghiệp và hộ gia đình mỗi nơi sản sinh ra các loại chất ô nhiễm khác nhau. Bằng cách nghiên cứu thành phần hóa học và đồng vị của chất ô nhiễm, các nhà khoa học có thể xác định nguồn gốc của nó. Biết nguồn gốc của các chất ô nhiễm là bước đầu tiên để giải quyết các vấn đề với chất lượng nước. Các nhà thủy văn đồng vị dữ liệu thu thập rất hữu ích cho các nhà hoạch định chính sách trong việc hoạch định chiến lược và quản lý tài nguyên nước. Ion nitrat (NO3-), được tạo thành từ nitơ và oxy là một chất gây ô nhiễm phổ biến. Nitơ có hai đồng vị ổn định có khối lượng khác nhau. Sự khác biệt về khối lượng này không giống nhau trong chất thải của con người và trong phân bón. Phân bón sử dụng nitơ từ không khí, trong khi con người và động vật trải qua một quá trình sinh học thay đổi nitơ thành các dạng khác nhau. Do đó, các chất ô nhiễm có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau có thể được xác định dựa trên những khác biệt về khối lượng đồng vị này.
Từ khóa: đồng vị; thủy văn; nước
– CMD&DND –
