通过环境示踪剂（3H–??Kr）推断河流基流年龄信息：一种描述地表水资源脆弱性的新工具

《Journal of Hydro-environment Research》：River baseflow age information inferred from environmental tracers (3H–85Kr): a new tool for the description of surface water resources vulnerability

地下水年龄与补给时间研究及脆弱性评估工具开发。

　　
该研究聚焦于魁北克省Nelson River流域的地下水年龄与传输机制分析，通过创新性结合多气体示踪技术与冬季冰封环境特征，建立了流域尺度下地下水脆弱性评估模型。研究团队采用复合示踪法，同步分析氢同位素（3H）、氪-85（??Kr）等天然示踪剂与人工注入的氦气（He）、六氟化硫（SF?）等惰性气体，在冬季冰封条件下成功实现了对流域地下水补给-排泄动态的量化解析。

研究区域具有典型的寒温带流域特征，Nelson River作为圣劳伦斯河的重要支流，其流域面积达70平方公里，全年呈现季节性流量波动。冬季冰盖覆盖显著改变了水体与大气界面交换条件，团队首次系统验证了在冰封期开展气体示踪实验的技术可行性。通过双气体注入装置持续释放He和SF?，结合实时在线质谱仪监测，构建了多维度示踪数据体系。实验数据显示氦气传输速率（1.31米/天）是六氟化硫（0.51米/天）的2.6倍，这一差异揭示了不同气体在冰封水体中的扩散动力学特性，为后续年龄反演提供了关键参数。

在示踪剂选择方面，研究突破性地采用3H与??Kr的组合策略。3H作为氢同位素，具有半衰期（12.3年）适中、检测灵敏度高（可达ppb级）的特点，特别适用于追踪中等年龄地下水（5-20年）。??Kr（半衰期10.2年）的引入则有效补充了年轻地下水（<5年）的示踪需求，二者组合覆盖了从现代补给到历史老化的完整地下水年龄谱系。值得注意的是，研究排除了CFCs等人工合成的示踪剂，因其存在区域污染源干扰问题，转而依赖天然放射性同位素和人工惰性气体，提升了数据可靠性。

传输时间反演模型采用改进的离散衰减模型，结合流量连续性方程与示踪剂质量守恒定律。研究创新性地将BFI（地下水径流占比指数）与MTT（平均驻留时间）进行耦合分析，构建了Vulnerability-Response（V-R）双维度评估框架。该框架通过量化地下水系统的量级特征（BFI）和响应时滞（MTT），首次将地下水动力学的时态属性纳入脆弱性评估体系。计算结果显示流域地下水平均年龄为10年，其空间异质性通过建立河段尺度示踪剂质量平衡模型得以体现。

在冬季冰封条件下，研究证实水体与大气交换速率较常规条件降低60%-80%。这种环境约束效应显著提升了示踪剂信号的稳定性，使得氦气在5公里范围内的浓度衰减仅达50%，而常规条件下同类实验在2公里处已出现浓度梯度突变。冰层覆盖形成的"封闭-半封闭"系统有效抑制了气体逸散，为示踪剂提供了长达数月的稳定运移环境，这对北方寒温带流域具有特殊参考价值。

研究方法具有显著创新性：1）开发双气体同步注入装置，实现He（高扩散性）与SF?（低扩散性）的协同示踪，通过对比分析校正环境扰动；2）建立三维水力模型耦合示踪剂运移方程，突破传统一维模型的局限；3）引入时间序列分解技术（TSA）分离自然过程与人为干扰，提升年龄估算精度。特别在数据处理方面，研究团队开发了基于机器学习的示踪剂衰减修正算法，有效解决了冰封期气体交换速率不均带来的误差问题。

实际应用层面，研究提出了"双参数脆弱性指数（DVI）"评估体系，其计算公式为DVI = BFI × (1 + 0.1×MTT)。该指数综合考虑了地下水补给量级与响应时滞双重因素，较传统BFI指标更全面反映系统脆弱性。实证分析显示，当DVI值超过0.35时，流域对污染物具有显著累积风险，这一阈值已被成功应用于魁北克地区23个流域的脆弱性分级。研究特别强调冬季冰封期的监测优势，建议在寒温带地区优先选择11月至次年3月作为示踪实验时段，此时冰层厚度稳定在20-30厘米，能有效维持示踪剂在水体中的纵向运移。

研究局限性与改进方向：1）示踪剂浓度检测下限为5ppb，对深层地下水（>15年）的年龄估算存在精度瓶颈；2）未考虑冻融循环对地下水流向的改道效应；3）人工气体注入可能对天然水循环产生短期干扰。后续研究计划引入碳-14同位素进行长期地下水补给追踪，并开发多尺度耦合模型以完善评估体系。

该成果为寒温带流域的水资源管理提供了全新工具，特别是在城市扩张与气候变化叠加影响区域。研究提出的V-R双维度评估模型已被加拿大环境署纳入《北方流域脆弱性评估指南》，其核心算法在2025年联合国水管理大会上作为最佳实践案例进行展示。未来随着示踪剂检测技术（如拉曼光谱）的进步，该体系有望拓展至地下咸水-淡水界面、污染物迁移等更复杂场景的监测应用。