Định tuổi nước ngầm là phương pháp khoa học thiết yếu được sử dụng để xác định tuổi của nước trong các tầng chứa nước, cung cấp những hiểu biết sâu sắc và quan trọng về các quá trình thủy văn. Điều này có vai trò then chốt trong việc quản lý tài nguyên nước và nghiên cứu ô nhiễm, đồng thời nâng cao hiểu biết về tác động của biến đổi khí hậu và lập kế hoạch cung cấp nước bền vững. Tuổi của nước ngầm đề cập đến thời gian đã trôi qua kể từ khi nước được tái nạp vào lòng đất. Tuổi của nước mang đến thông tin để hiểu rõ sự di chuyển của nước, tốc độ tái nạp của tầng chứa nước và các nguồn ô nhiễm tiềm tàng. Việc nắm vững tuổi nước ngầm còn cần thiết nhằm quản lý bền vững các nguồn nước ngầm, đảm bảo tính sẵn có lâu dài của chúng và bảo vệ chúng khỏi sự ô nhiễm. Nước ngầm là nguồn nước ngọt lớn nhất trên thế giới, chiếm tới 30% tổng lượng nước ngọt toàn cầu. Nước ngầm “cổ” có dòng chảy chậm và thời gian tái nạp dài, ngụ ý rằng tầng chứa nước có thể mất một thời gian rất dài để được bổ sung đầy đủ. Ngược lại, nước ngầm “trẻ” được tái nạp nhanh bởi mưa và dễ bị ảnh hưởng do ô nhiễm và các điều kiện khí hậu thay đổi. Khái niệm về “tuổi nước” không chỉ đơn thuần là đo thời gian mà còn là tham số thủy văn cung cấp thông tin về tính bền vững và khả năng dễ bị tổn thương của tài nguyên nước. Việc hiểu rõ tuổi của nước cho phép các nhà quản lý đưa ra các quyết định có thông tin về tốc độ khai thác và các biện pháp bảo vệ cần thiết, chuyển từ chỉ số lịch sử sang chỉ số dự đoán về sức khỏe và khả năng phục hồi của nguồn tài nguyên.
Thủy văn đồng vị là lĩnh vực chuyên sâu của địa hóa học và thủy văn, sử dụng các kỹ thuật dựa trên đồng vị tự nhiên (cả đồng vị bền và đồng vị phóng xạ) để đánh giá tuổi và nguồn gốc của nước mặt, nước ngầm, cũng như các quá trình diễn ra trong chu trình thủy văn khí quyển. Lĩnh vực này đã phát triển mạnh mẽ kể từ khi khái niệm về định tuổi nước ngầm bắt đầu xuất hiện vào giữa thế kỷ 20, cùng với sự phát triển của phương pháp định tuổi bằng Carbon-14. Kể từ đó, nhiều phương pháp khác đã được phát triển, bao gồm định tuổi bằng tritium và chlorofluorocarbon (CFC), cho thấy sự tiến hóa liên tục của lĩnh vực này với những cải tiến trong kỹ thuật phân tích và sự khám phá các chất đánh dấu mới. Sự phát triển này phản ánh mức khoa học hiện đại ngày càng tăng, được thúc đẩy bởi các thách thức tài nguyên nước và nhu cầu về sự hiểu biết thủy văn chính xác và toàn diện hơn. Việc liên tục phát triển các kỹ thuật mới và chất đánh dấu tiên tiến cho phép các nhà khoa học giải quyết các câu hỏi thủy văn phức tạp, cung cấp cái nhìn sâu sắc và sắc thái về các hệ thống nước. Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đóng vai trò tiên phong trong việc phát triển thủy văn đồng vị như một phương pháp khoa học mạnh mẽ và hiệu quả để giải quyết các vấn đề liên quan đến tài nguyên nước, hỗ trợ các quốc gia thành viên trong việc áp dụng và phát triển chuyên môn trong lĩnh vực này.
Đồng vị Tritium (³H) và phương pháp Tritium/³He
Tritium (³H) là một đồng vị phóng xạ của hydro với chu kỳ bán rã khoảng 12.32 năm. Nó được tạo ra tự nhiên trong tầng bình lưu và cũng được đưa vào môi trường với số lượng đáng kể thông qua các vụ thử hạt nhân trong khí quyển vào giữa thế kỷ 20. Nguyên lý định tuổi bằng tritium dựa trên sự phân rã của ³H thành helium-3 (³He). Tuổi của nước ngầm có thể được tính toán bằng cách so sánh nồng độ ³H tại thời điểm lấy mẫu với nồng độ ban đầu, thường được suy ra từ dữ liệu mưa lịch sử. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho việc định tuổi nước ngầm trẻ, điển hình là dưới 50-60 năm. Tuy nhiên, tritium có tiềm năng cung cấp thông tin về tuổi nước ngầm lên đến khoảng 100-200 năm cho toàn bộ hệ thống dòng chảy, bao gồm cả vùng không bão hòa và bão hòa.
Phương pháp Tritium/³He là một cải tiến, kết hợp đo cả ³H và sản phẩm phân rã ³He, cho phép ước tính thời gian kể từ khi một khối nước bị cô lập khỏi trao đổi khí với khí quyển, tức là khi “đồng hồ tritium/³He” được thiết lập về 0. Tritium dating đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu tốc độ tái nạp nước ngầm và các mô hình dòng chảy trong nhiều tầng chứa nước.
Hạn chế chính của phương pháp tritium là chu kỳ bán rã tương đối ngắn của ³H và sự biến động lớn trong nồng độ ³H ban đầu trong nước mưa, đặc biệt là do ảnh hưởng của các vụ thử hạt nhân. Ở Bắc Bán cầu, việc định tuổi bằng tritium cho thấy những hạn chế đáng kể vì nồng độ tritium còn sót lại từ các vụ thử bom hạt nhân vẫn chưa phân rã xuống dưới mức mưa hiện tại. Điều này đòi hỏi phải có chuỗi dữ liệu tritium nhiều năm để phân tách tín hiệu tritium tự nhiên (từ tia vũ trụ) khỏi tín hiệu nhân tạo (từ bom), khiến việc định tuổi từ một mẫu đơn lẻ trở nên không rõ ràng. Mặc dù “xung bom” tritium từ các vụ thử hạt nhân gây phức tạp cho việc định tuổi chính xác ở Bắc Bán cầu bằng cách che khuất các tín hiệu tự nhiên, nhưng nó đồng thời cung cấp một dấu hiệu riêng biệt, được đóng dấu thời gian cho các vùng nước rất trẻ. Điều này làm cho nó trở nên vô giá để truy tìm các sự kiện tái nạp và ô nhiễm gần đây. Sự hiện diện của xung tritium này có nghĩa là nước được tái nạp sau giữa những năm 1950 mang một dấu hiệu đồng vị độc đáo, có thể nhận dạng được, cho phép các nhà thủy văn phân biệt nước rất trẻ với nước cũ hơn, điều này rất quan trọng để hiểu các cơ chế tái nạp nhanh và đánh giá tính dễ bị tổn thương của các tầng chứa nước trước các nguồn ô nhiễm hiện đại.
Các nguồn lỗi hệ thống tiềm tàng khác bao gồm sự hiện diện của các thành phần ³He bổ sung trong mẫu nước (không phải từ phân rã tritium) và hành vi phi tuyến tính của tuổi tritium/³He khi có sự pha trộn nước có tuổi khác nhau. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng chuỗi dữ liệu tritium ngắn (khoảng 4 năm) với độ chính xác cao cũng không đủ để đánh giá thời gian lưu trú trung bình của nước ngầm một cách rõ ràng, do có nhiều phạm vi thời gian lưu trú có thể xảy ra về mặt lý thuyết. Sự chuyển đổi từ việc chỉ dựa vào tritium sang phương pháp ³H/³He, cùng với việc ngày càng nhấn mạnh vào dữ liệu chuỗi thời gian và mô hình hóa phức tạp (như GLUE), cho thấy một lĩnh vực khoa học đã trưởng thành, đang thích nghi với sự phức tạp của môi trường và tìm cách khắc phục những hạn chế cố hữu của các phương pháp đơn chất đánh dấu để đánh giá tuổi nước một cách mạnh mẽ hơn, đặc biệt trong các hệ thống động.
Đồng vị Carbon-14 (¹⁴C)
Carbon-14 (¹⁴C) là một đồng vị phóng xạ của carbon với chu kỳ bán rã khoảng 5730 năm. Nó được tạo ra liên tục trong tầng bình lưu của khí quyển thông qua tương tác của bức xạ vũ trụ với nitơ-14 (¹⁴N). ¹⁴C sau đó được hấp thụ vào chu trình carbon toàn cầu và được thực vật hấp thụ qua quá trình quang hợp, rồi đi vào chuỗi thức ăn. Khi sinh vật chết, quá trình trao đổi carbon với khí quyển dừng lại, và ¹⁴C trong vật liệu hữu cơ hoặc carbon vô cơ hòa tan (DIC) trong nước ngầm bắt đầu phân rã. Lượng ¹⁴C còn lại có thể được sử dụng để xác định tuổi của mẫu. Trong nước ngầm, tuổi ¹⁴C được tính bằng cách so sánh hoạt độ ¹⁴C của mẫu với một tiêu chuẩn hiện đại.
Phương pháp này áp dụng cho nước ngầm có tuổi từ vài trăm đến khoảng 40.000 năm. Với các cải tiến trong kỹ thuật phân tích, phạm vi này có thể mở rộng lên đến 60.000-70.000 năm. ¹⁴C dating đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu các mô hình dòng chảy nước ngầm, tốc độ tái nạp và thời gian lưu trú của nước trong nhiều tầng chứa nước trên khắp thế giới. Thông tin về tuổi ¹⁴C của nước ngầm có ý nghĩa quan trọng đối với quản lý và tính bền vững của tài nguyên nước ngầm. Ví dụ, nếu tuổi ¹⁴C của nước ngầm rất cổ (ví dụ, hàng ngàn năm), nó có thể chỉ ra rằng tầng chứa nước là một nguồn tài nguyên không tái tạo, và việc khai thác quá mức có thể dẫn đến cạn kiệt. Ngược lại, nếu tuổi ¹⁴C trẻ (ví dụ, vài thập kỷ), nó có thể chỉ ra rằng tầng chứa nước được tái nạp thường xuyên, cho phép áp dụng các thực hành quản lý bền vững.
Các giả định cơ bản cho kỹ thuật ¹⁴C dating bao gồm: hệ thống nước ngầm được coi là hệ thống kín đối với ¹⁴C; hoạt độ ¹⁴C ban đầu của nước ngầm đã biết; và sự phân rã của ¹⁴C là quá trình duy nhất ảnh hưởng đến hoạt độ ¹⁴C. Tuy nhiên, trong thực tế, các hệ thống nước ngầm thường là hệ thống mở, và hoạt độ ¹⁴C có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều quá trình khác, làm ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả định tuổi. Các yếu tố này bao gồm: sự pha trộn với nước cũ hơn hoặc trẻ hơn; tương tác hóa học với đá và đất tầng chứa nước (ví dụ, hòa tan carbon “chết” không có ¹⁴C); và sự hiện diện của các nguồn hoặc bể chứa ¹⁴C khác ngoài sự hấp thụ ban đầu và phân rã phóng xạ. Do đó, việc xem xét và diễn giải cẩn thận các yếu tố này là rất cần thiết để đạt được kết quả ¹⁴C dating chính xác trong các nghiên cứu nước ngầm. Mặc dù định tuổi bằng ¹⁴C cung cấp một cái nhìn quan trọng về tuổi của nước ngầm trung gian đến cổ, nhưng độ chính xác của nó rất nhạy cảm với “tính mở” của hệ thống thủy văn. Điều này đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về thủy địa hóa học địa phương để áp dụng các mô hình hiệu chỉnh thích hợp, biến một phương trình phân rã đơn giản thành một bài toán địa hóa phức tạp.
Đồng vị Chlorine-36 (³⁶Cl)
Chlorine-36 (³⁶Cl) là một đồng vị phóng xạ được tạo ra chủ yếu trong tầng bình lưu của khí quyển thông qua tương tác của tia vũ trụ với các nguyên tử argon (⁴⁰Ar). Sau khi được tạo ra, ³⁶Cl trộn lẫn với clorua khí quyển thông thường (chủ yếu có nguồn gốc từ đại dương) và được lắng đọng trên bề mặt đất dưới dạng hòa tan trong mưa, tuyết hoặc dưới dạng sol khí khô. Nước tái nạp mang ³⁶Cl vào lòng đất, nơi “đồng hồ phóng xạ” được thiết lập. Một ưu điểm quan trọng của clorua là nó được coi là chất bảo tồn trong lòng đất, tức là ³⁶Cl hiếm khi bị giữ lại hoặc bị ảnh hưởng bởi vận tốc nước do hấp phụ hoặc các phản ứng địa hóa. Tuổi của nước ngầm có thể được ước tính bằng phương trình phân rã phóng xạ dựa trên sự giảm nồng độ ³⁶Cl từ lượng ban đầu trong nước tái nạp.
³⁶Cl dating đặc biệt hữu ích cho việc định tuổi nước ngầm cổ, thường áp dụng cho nước có tuổi từ 100.000 năm (100 ka) đến 1 triệu năm (1 Ma). Chu kỳ bán rã của nó là 301.000 năm. ³⁶Cl dating đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều nghiên cứu tầng chứa nước, đặc biệt hữu ích trong việc nghiên cứu các tầng chứa nước sâu và các hệ thống dòng chảy khu vực.
Yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của phương pháp này là sự biến động trong nồng độ clorua (Cl) tổng thể của nước ngầm. Điều này có thể là do sự bay hơi thoát hơi nước thay đổi trong quá trình tái nạp hoặc do sự bổ sung clorua từ các nguồn trong tầng chứa nước. Tuy nhiên, nếu nguyên nhân của các biến động nồng độ Cl được hiểu rõ, việc tính toán tuổi có thể được điều chỉnh để giải thích cho quá trình đó. Tính “bảo tồn” của clorua trong lòng đất làm cho ³⁶Cl trở thành một chất đánh dấu đáng tin cậy hơn cho các vùng nước rất cổ so với ¹⁴C, vì nó ít bị ảnh hưởng bởi các tương tác địa hóa. Tuy nhiên, thách thức chuyển sang việc xác định chính xác nồng độ Cl ban đầu và tính đến các yếu tố đầu vào nhân tạo, nhấn mạnh nhu cầu liên tục về dữ liệu cơ sở mạnh mẽ. Cần lưu ý rằng ngành công nghiệp hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử vũ khí nhiệt hạch, cũng đã tạo ra một lượng lớn ³⁶Cl có thể được phát hiện trong nhiều mẫu nước ngầm. Do đó, cần phân biệt giữa nguồn sản xuất tự nhiên (trước năm 1952) và các nguồn nhân tạo gần đây để đảm bảo độ chính xác. Tỷ lệ ³⁶Cl/Cl tự nhiên trong nước mưa thay đổi theo địa lý, thấp nhất gần bờ biển và tăng lên tối đa ở trung tâm các lục địa do ảnh hưởng của muối biển vận chuyển trong khí quyển.
Kỹ thuật đồng vị hạt nhân mang lại những ưu điểm đáng kể so với các phương pháp định tuổi nước truyền thống, không dựa trên đồng vị. Các phương pháp đồng vị cung cấp thông tin độc đáo về nguồn gốc, tuổi, tốc độ tái nạp và tính dễ bị tổn thương của nước ngầm mà các kỹ thuật cổ điển khó hoặc không thể có được. Chúng cho phép nghiên cứu các quá trình thủy địa chất trên quy mô không gian và thời gian lớn hơn nhiều so với chất đánh dấu nhân tạo. Thông thường, chi phí của các cuộc điều tra đồng vị tương đối nhỏ so với chi phí của các kỹ thuật thủy văn cổ điển. Ngoài ra, các đồng vị cung cấp “dấu vân tay” đặc trưng cho nước ở các môi trường khác nhau, giúp hiểu nhanh chóng nguồn gốc và phân bố tài nguyên nước, góp phần quản lý bền vững. Là một phần của phân tử nước, các đồng vị cung cấp thông tin trực tiếp về bản thân nước.
Tuy nhiên, kỹ thuật đồng vị cũng có những hạn chế. Chúng yêu cầu thiết bị phân tích chính xác cao và quy trình phòng thí nghiệm phức tạp. Việc diễn giải dữ liệu đồng vị đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình địa hóa và thủy văn, đặc biệt là các vấn đề pha trộn và tương tác với vật liệu tầng chứa nước. Các giải pháp không duy nhất có thể phát sinh từ các quá trình pha trộn phức tạp, và biến động thời gian trong đầu vào đồng vị làm phức tạp việc diễn giải. Các giả định trong mô hình pha trộn có thể không luôn đúng. Ngoài ra, việc lấy mẫu đại diện là một thách thức, vì mẫu điểm có thể không đại diện cho toàn bộ tầng chứa nước, và cần xem xét tần suất lấy mẫu phù hợp để nắm bắt biến động thời gian. Các biến động đồng vị nhỏ đòi hỏi phép đo độ chính xác cao; các yếu tố như trôi thiết bị và hiệu ứng nền có thể ảnh hưởng đến kết quả.
Các phương pháp định tuổi truyền thống, như kiểm tra chất đánh dấu (tracer tests) hoặc mô hình dòng chảy thủy văn, cũng có những hạn chế riêng. Kiểm tra chất đánh dấu thường chỉ hiệu quả cho các ứng dụng cục bộ, cụ thể tại chỗ. Kết quả phân tích từ các kiểm tra này có thể không duy nhất, nghĩa là các mô tả tầng chứa nước khác nhau có thể dẫn đến cùng một kết quả kiểm tra. Ngoài ra, có thể có những lo ngại về độc tính của một số chất đánh dấu (ví dụ: Rhodamine WT) và khó khăn trong việc dự đoán nồng độ hồi lưu cũng như quản lý liều lượng.
Mô hình dòng chảy thủy văn truyền thống thường phụ thuộc vào lượng lớn dữ liệu thủy văn khí hậu, điều này có thể hạn chế ở các khu vực thiếu dữ liệu. Các mô hình phân bố hoàn toàn, mặc dù có khả năng nắm bắt sự phân bố không gian của các biến đầu vào, nhưng lại đòi hỏi dữ liệu chất lượng cao, khó cấu hình và cần thời gian mô phỏng và hiệu chuẩn lớn. Có thể có sai số lớn liên quan đến lượng dữ liệu khổng lồ được sử dụng. Hơn nữa, các giả định về điều kiện biên, tính không đồng nhất của tầng chứa nước và tái nạp tự nhiên gây ra sự không chắc chắn trong kết quả mô hình. Việc đơn giản hóa quá mức có thể dẫn đến một mô hình thiếu thông tin cần thiết.
Kỹ thuật đồng vị hạt nhân đã khẳng định vị thế là một công cụ không thể thiếu trong lĩnh vực thủy văn, đặc biệt trong việc xác định tuổi của nước. Bằng cách tận dụng các nguyên lý phân rã phóng xạ và sự phân tách khối lượng của các đồng vị, các nhà khoa học có thể “đọc” được lịch sử của nước, từ đó hiểu rõ hơn về động lực phức tạp của các hệ thống thủy văn. Các thành tựu đạt được trong việc định tuổi nước ngầm bằng tritium, carbon-14, chlorine-36 và các đồng vị khí hiếm đã cung cấp những hiểu biết sâu sắc về tốc độ tái nạp, đường đi dòng chảy và thời gian lưu trú của nước trên các thang thời gian rộng lớn, từ vài chục năm đến hàng triệu năm. So với các phương pháp định tuổi truyền thống, kỹ thuật đồng vị mang lại thông tin độc đáo và toàn diện hơn, đặc biệt hữu ích trong việc đánh giá tính bền vững của tài nguyên nước, nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu lên chu trình nước và xác định nguồn gốc ô nhiễm. Sự tích hợp dữ liệu đồng vị với các mô hình thủy văn đã nâng cao đáng kể độ chính xác và khả năng dự đoán của các mô hình này, đặc biệt ở những khu vực khan hiếm dữ liệu.
Từ khóa: thủy văn đồng vị;
– CMD –
