Nhân kỷ niệm Ngày Thế giới chống sa mạc hóa và hạn hán, Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã đưa ra thông điệp nhấn mạnh nhu cầu cấp thiết nhằm ngăn chặn tình trạng suy thoái đất thông qua hợp tác toàn cầu và thực hiện các giải pháp đổi mới như những ứng dụng khoa học hạt nhân trong xác định nguồn nước. Kỹ thuật thủy văn đồng vị của khoa học hạt nhân là công cụ độc đáo và mạnh mẽ giúp lập bản đồ tài nguyên nước và bảo vệ chúng, tăng cường khả năng chống chịu hạn hán cho các khu vực có khả năng gặp phải trong tương lai.
Thủy văn đồng vị là kỹ thuật hạt nhân giải mã cách nước di chuyển qua đất liền, đại dương và khí quyển, cung cấp thông tin về nguồn gốc, tuổi, chất lượng và chuyển động của nước. Đồng vị là các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác nhau về số neutron. Nước (H2O) gồm hai nguyên tử Hydro và một nguyên tử Oxy, mỗi giọt nước có một “dấu vân tay” đồng vị duy nhất và tùy thuộc vào nơi nó đến. Các nhà khoa học có thể theo dõi sự chuyển động và ô nhiễm của nước dọc theo đường đi của nó trong vòng tuần hoàn nước.
Truy tìm đồng vị trong môi trường đất và nước (Nguồn: A. Vargas/IAEA).
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). 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’.
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 thiên 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 nghiên cứu.
Trong 60 năm, IAEA đã hỗ trợ các nhà nghiên cứu trên khắp thế giới thu thập và phân tích các mẫu nước, đồng thời tạo ra Mạng lưới phân bổ đồng vị theo lượng mưa trên toàn cầu, mạng lưới giám sát và cung cấp cho các chính phủ và nhà nghiên cứu dữ liệu dài hạn, quy mô lớn để có được những hiểu biết sâu sắc về các quá trình khí hậu ở địa phương, khu vực và toàn cầu. Dữ liệu và thông tin giúp các quốc gia đáp ứng Mục tiêu Phát triển Bền vững 6 (Nước sạch và Vệ sinh) và thực hiện Chương trình Hành động về Nước. Từ năm 1962, các mẫu nước đã được gửi đến phòng thí nghiệm của IAEA ở Vienna. Kết quả cung cấp cho các nhà khoa học thông tin chi tiết về nguồn gốc và tuổi tác, đồng thời thông tin này được nhập vào cơ sở dữ liệu thủy văn đồng vị trực tuyến lớn nhất.
Lượng dữ liệu lớn mà IAEA thu được cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về chu trình nước trên toàn cầu và tại địa phương. Ví dụ: nước ngầm được nạp lại khi nào, ở đâu và như thế nào. Đây là chìa khóa giúp những người ra quyết định về quản lý tài nguyên nước, đặc biệt là trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Các bộ dữ liệu và bản đồ của IAEA được cung cấp miễn phí cho các nhà phân tích trên toàn cầu để nghiên cứu xem việc thay đổi lượng mưa toàn cầu ảnh hưởng như thế nào đến tài nguyên nước địa phương. Những điều này giúp các quốc gia hiểu được mô hình lượng mưa thay đổi như thế nào và các đợt mưa khác nhau truyền vào hệ thống nước ngầm như thế nào, đồng thời giúp họ xác định chính xác nguồn ô nhiễm nước khi nó xảy ra.
Từ khóa: thủy văn; đồng vị; tài nguyên nước;
– CMD&DND –
