Nước ngầm chiếm khoảng 30 % lượng nước ngọt trên thế giới, là nguồn tài nguyên quan trọng giải quyết các vấn đề toàn cầu hiện nay, bao gồm vấn đề tăng dân số, thâm canh nông nghiệp và sự gia tăng nhu cầu sử dụng nước trong các lĩnh vực khác nhau như khai khoáng và khai thác dầu khí, may mặc và sản xuất dệt may, chăn nuôi gia súc và sự sinh tồn của con người. Để bảo vệ nguồn nước ngầm khỏi các mối đe dọa và ô nhiễm, quản lý nguồn nước một cách bền vững cho tương lai, cần thiết phải hiểu nguồn nước ngầm ở từng khu vực cụ thể, chất lượng và mức bổ sung. Kỹ thuật hạt nhân đáp ứng rất tốt yêu cầu này thông qua các biến thể của các nguyên tử trong phân tử nước.
Nước ngầm là nước được tìm thấy dưới lòng đất, có thể ẩn trong các vết nứt, các khoảng trống trong đá và trầm tích, tạo thành nguồn tài nguyên ngầm, được lưu trữ trong các khu vực được gọi là “tầng ngậm nước”. Tùy thuộc vào đặc điểm địa chất hoặc tầng ngậm nước, nước ngầm có thể được khai thác bằng cách sử dụng giếng bơm để tưới tiêu, cấp nước uống, nước công nghiệp và các hoạt động khác của con người. Các tầng ngậm nước được hình thành như thế nào và tại sao chúng ta nên sử dụng chúng một cách khôn ngoan. Đây là vấn đề cơ bản cần hiểu rõ để có thể bảo tồn và quản lý hiệu quả nước ngầm.
Nước ngầm là một phần của vòng tuần hoàn nước. Sau khi mưa, một lượng nước sẽ ngấm vào đất và do trọng lực di chuyển xuống liên tục qua các lớp đất cho đến bị chặn lại bởi lớp đá đặc, không thấm nước, được gọi là lớp chứa nước. Nhiều tầng ngậm nước được kết nối và cung cấp bởi các con sông và các vùng nước mặt khác trong mùa khô. Vào mùa mưa, hệ thống này có thể đảo ngược, nước ngầm di chuyển trở lại sông, hồ và bổ sung cho chúng.
Tầng ngậm nước là tầng đá xốp chiết xuất nước (Nguồn: Adriana Vargas/IAEA).
Tốc độ bổ sung cho một tầng ngậm nước tùy thuộc vào khí hậu và môi trường ở nơi diễn ra quá trình bổ sung. Các tầng ngậm nước ở khu vực có lượng mưa thấp có thể mất hàng thế kỷ để được bổ sung đầy đủ trở lại. Ngược lại, các tầng ngậm nước ở khu vực có lượng mưa đáng kể có thể được bổ sung gần như ngay lập tức. Do đó, biến đổi khí hậu, dẫn đến hạn hán khốc liệt hơn, nhưng lượng mưa cục bộ cũng dữ dội hơn, có tác động đến tốc độ bổ sung của các tầng ngậm nước, là lượng nước mà con người có thể sử dụng bền vững. Việc sử dụng nhiều nước ngầm cho các hoạt động của con người, chẳng hạn như nông nghiệp và công nghiệp, ở quy mô vượt quá tốc độ bổ sung của các tầng ngậm nước, có thể gây rủi ro không chỉ cho tính toàn vẹn của các tầng ngậm nước, vốn có nguy cơ sụp đổ nếu bị rút cạn, mà còn cả lượng nước toàn cầu có thể sử dụng, bởi nước ngầm là phần quan trọng của nước ngọt có sẵn trên thế giới.
Các tầng ngậm nước là một phần không thể thiếu trong chu trình nước và tốc độ bổ sung của chúng phụ thuộc nhiều vào lượng mưa (Nguồn: Adriana Vargas/IAEA).
Ngoài ra, nước ngầm có thể không phải lúc nào cũng đủ sạch cho con người sử dụng. Các hoạt động của con người thực hiện trên bề mặt trái đất, như xử lý nước thải và lạm dụng thuốc trừ sâu và phân bón, kể cả phân động vật, là một trong những nguồn chính gây ô nhiễm nước ngầm. Do đó, biết được nguồn gốc của các chất gây ô nhiễm là bước đầu tiên để giải quyết các vấn đề về chất lượng nước.
Các nguồn tiềm ẩn gây ô nhiễm nước ngầm từ các hoạt động của con người (Nguồn: Adriana Vargas/IAEA)
Phân tử nước bao gồm các nguyên tử oxy và hydro. Một số biến thể của các nguyên tử của cùng một nguyên tố hóa học, được gọi là đồng vị, có thể được sử dụng để nghiên cứu chu trình nước, bao gồm cả nước ngầm. Đồng vị là những nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng khác số nơtron. Các kỹ thuật “đồng vị” khác nhau được sử dụng để đo lượng và tỷ lệ đồng vị, đồng thời truy tìm nguồn gốc, lịch sử, nguồn và tương tác của chúng trong môi trường. Nước có “dấu vân tay” hay còn gọi là “chữ ký đồng vị” đặc trưng theo nguồn gốc của nước. Các nhà khoa học phân tích các đồng vị để theo dõi chuyển động và các nguồn ô nhiễm của nước dọc theo đường đi của nó trong vòng tuần hoàn nước.
Kỹ thuật hạt nhân hay ở đây là kỹ thuật đồng vị được coi là kỹ thuật quan trọng nhất trong các nghiên cứu quy mô lớn về nước, để đánh giá số lượng, tuổi và nguồn gốc của nước, đồng thời để xác định xem lượng mà con người sử dụng đảm bảo bền vững hay không. Ví dụ, các đồng vị phóng xạ tự nhiên trong nước ngầm, như triti, carbon-14 và khí hiếm heli-3, heli-4 và krypton-81, được sử dụng để tìm hiểu về tuổi của nước ngầm và khoảng thời gian của dòng nước ngầm. Bằng cách phân tích nồng độ của các tổ hợp khác nhau của cả đồng vị ổn định và đồng vị phóng xạ, các nhà khoa học có thể tính toán chính xác thời điểm nước được bổ sung trong các tầng ngậm nước, tốc độ dòng chảy của nước ngầm và thời gian cần thiết để bổ sung. Với dữ liệu này, có thể thiết lập, liệu các hoạt động nông nghiệp ở khu vực cụ thể có đang sử dụng một lượng nước ngầm không được bổ sung đủ nhanh để duy trì nhu cầu tưới tiêu trong thời gian dài hay không.
Các nhà khoa học sử dụng các đồng vị cụ thể như N-15, O-18 và S-34 để xác định các chất ô nhiễm như nitrat và sunfat. Họ cũng sử dụng các đồng vị này để xác định xem nước ngầm ở một địa điểm cụ thể có an toàn cho con người hay không. Các nhà khoa học có thể xác định nước bị nhiễm quá nhiều nitrat từ chất thải của con người hay do phân bón. Các ion nitrat được tạo thành từ nitơ và oxy, nitơ có hai đồng vị trong khi oxy có ba. Tỷ lệ của các đồng vị này khác nhau trong chất thải của con người và trong phân bón. Do đó, nguồn gây ô nhiễm có thể được xác định dựa trên những khác biệt về đồng vị này. Biết được nguồn gốc của các chất gây ô nhiễm là một cột mốc quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề về chất lượng nước và hướng tới quản lý bền vững tài nguyên nước.
Từ khóa: Kỹ thuật đồng vị; nước ngầm; ô nhiễm nước; tầng ngậm nước;
– CMD&DND –
