Kỹ thuật đồng vị được kết hợp sử dụng với nước, khí cho phép các nhà khoa học theo dõi và đánh giá được khả năng dễ bị ô nhiễm của các hệ thống tầng ngậm nước mặt. Kết quả thu được từ các kỹ thuật này sẽ hỗ trợ tích cực cho việc xây dựng các chiến lược giảm thiểu ô nhiễm nước.
Bản đồ phân bố tritium từ cơ sở dữ liệu GNIP của IAEA
Nước ngầm là nguồn nước thiết yếu của trái đất, có tác động trực tiếp đến sự sinh tồn của động thực vật và con người. Theo đánh giá mới đậy, nhu cầu nước ngọt đã tăng gấp đôi so với năm 1960 và hiện nước ngầm cung cấp tới 43% lượng nước trồng trọt cũng như nước sinh hoạt cho hơn một nửa dân số thế giới. Ở các quốc gia khô hạn, việc sử dụng nước ngầm thậm chí còn nhiều hơn, với khoảng 80% dân số phụ thuộc một phần hoặc hoàn toàn vào nước ngầm. Tuy nhiên, sự sẵn có và chất lượng của nguồn nước ngầm đang ngày càng bị đe dọa từ cả tự nhiên và nhân tạo.
Nước ngầm có thể không sử dụng được cho cả mục đích sinh hoạt và nông nghiệp do ô nhiễm chất dinh dưỡng và các loại thuốc sinh hóa phát sinh từ các hoạt động nông nghiệp. Ô nhiễm nước ngầm có thể thay đổi theo không gian và thời gian tùy thuộc vào tải trọng đầu vào, địa chất, quá trình bổ sung nước ngầm, đường dẫn dòng chảy và thời gian nước lưu trú. Do đó, việc đánh giá, cải thiện lỗ hổng ô nhiễm tầng ngậm nước đòi hỏi cách tiếp cận nhiều mặt để hạn chế một cách hợp lý sự phức tạp của hệ thống kiểm soát ô nhiễm trong tầng ngậm nước. Độ phức tạp này khác nhau tùy thuộc vào vùng nước đã bão hòa hay chưa bão hòa. Vùng chưa bão hòa đóng cơ bản tác động tới mức độ ô nhiễm nguồn không điểm, như chất gây ô nhiễm nitrat (NO3) đi qua vùng chưa bão hòa sẽ tiếp xúc được tầng ngậm nước. Các chất gây ô nhiễm công nghiệp thường được đưa trực tiếp vào vùng bão hòa.
Bằng cách phân tích các đồng vị trong nước ngầm, các nhà khoa học có thể xác định tuổi của nước và suy ra thời gian cần thiết để một tầng ngậm nước nạp lại dựa trên lượng nước sử dụng cho các hoạt động của con người (Nguồn ảnh: Adriana Vargas/IAEA).
Thời gian cư trú của các chất ô nhiễm khác nhau trong hệ thống có thể khác nhau đáng kể, tùy thuộc vào việc chất ô nhiễm xâm nhập vào lớp dưới bề mặt thông qua vùng bão hòa hay chưa bão hòa. Do đó, việc ước tính thời gian cư trú trong vùng chưa bão hòa và bão hòa là yêu cầu cơ bản trong quản lý chất lượng nước ngầm. Thông tin về khoảng thời gian cho các tầng chứa nước, từ nhiều năm đến nhiều thập kỷ, có được từ việc sử dụng dữ liệu theo dõi môi trường. Các công cụ theo dõi khác nhau cho thấy thời gian cư trú khác nhau do cơ chế vận chuyển khác nhau của chúng, đặc biệt là trong vùng chưa bão hòa. Tritium (3H) di chuyển qua các vùng chưa bão hòa và bão hòa dưới dạng lỏng thông thường, trong khi các chất đánh dấu dạng khí, chẳng hạn như 3H/3He, khí hiếm và CFC, đi qua vùng chưa bão hòa sẽ có các quá trình khác nhau và chỉ “thấy” vùng bão hòa. Tùy thuộc vào tính chất của vùng chưa bão hòa (tính chất thủy lực, độ dày), sự khác biệt về biến đổi này có thể được sử dụng để phân tách quá trình vận chuyển dưới bề mặt thành phần chưa bão hòa và phần bão hòa. Phân tích nồng độ 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 đánh giá liệu các hoạt động nông nghiệp ở một khu vực cụ thể có đang yêu cầu một lượng nước ngầm không được bổ sung đủ nhanh để duy trì nhu cầu tưới tiêu trong thời gian dài hay không. Do đó, kỹ thuật đồng vị kết hợp các chất ở các dạng lỏng và khí sẽ cung cấp dữ liệu toàn diện về khả năng nước ngầm bị ô nhiễm.
Tritium là đồng vị phóng xạ tự nhiên của hydro, phân rã phát beta. Nó được tạo ra với lượng nhỏ trong thượng tầng khí quyển, được tích hợp vào các phân tử nước và hiện diện trong nước mưa, thẩm thấu vào các hệ thống tầng ngậm nước. Với chu kỳ bán rã 12,3 năm, tritium có thể được sử dụng để theo dõi và xác định niên đại của nước ngầm, tính toán tốc độ lưu thông của nước trong chu trình thủy văn và đánh giá thời gian lưu trữ của một nguồn nước ngầm cụ thể. So với nhiều đồng vị phóng xạ trong khí quyển khác, tritium cực kỳ hiếm và không bị ảnh hưởng bởi các quá trình hóa học. Mức triti tự nhiên trong nước mưa được ước tính vào khoảng 5 đến 10 đơn vị TU, trong đó một TU = một nguyên tử Tritium trên 1018 nguyên tử Hydro và tổng bức xạ beta tương đương 3,2 picocuries/lít. Tuy nhiên, lượng tritium trong khí quyển đã tăng lên rất nhiều từ các vụ thử nghiệm vũ khí hạt nhân làm cho nước dư thừa tritium bắt đầu từ khoảng năm 1954. Thử nghiệm vũ khí hạt nhân dẫn đến mức tritium trong khí quyển vượt quá 1000 TU.
Kết quả xác định hàm lượng tritium tại một khu vực thu gom chất thải
Mức tritium trong nước ngầm và nước mặt phụ thuộc rất nhiều vào nồng độ của nó trong khí quyển và sự hiện diện nhân tạo tiềm tàng trong môi trường. Việc sử dụng tritium làm chất đánh dấu môi trường (cùng với các đồng vị ổn định trong nước) ở các khu vực bị ô nhiễm đã được phát triển trong những thập kỷ cuối của thế kỷ 20, đặc biệt liên quan đến ô nhiễm do xử lý chất thải rắn đô thị (MSW) và các bãi chôn lấp. Các khu vực này là nơi thu gom, lưu giữ rác thải sinh hoạt và bên trong đó phát sinh nước rỉ do nước mưa thấm qua rác thải.
Từ khóa: Tritium; khí hiếm; kỹ thuật đồng vị; thùy văn đồng vị; nước ngầm
– CMD&DND –
