同位素示踪测量地下水流速流向仪原理

示踪的是显示踪迹的意思，例如：人们对候鸟、野牛、角马等动物的迁徒追踪是将微型无线电发射器捆绑在这些动物身上，当这些个体随着种群一起动动时，只要接收并对有关信号进行处理后就能推知总体的位置、行动速度、走过的区域等等人们想知道的信息。

放射性同位素示踪的特点

同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。由于质子数相同，所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的（质子数=核电荷数=核外电子数），并具有相同电子层结构。因此，同位素的化学性质是相同的，处于周期表的同一位置上，称做同位素。放射性同位素是不稳定的，它会“变”。会不间断地、自发地放射出射线。

为什么人们要使用放射性同位素作为示踪剂？

放射性同位素发出的射线能被探测器测出，测量的灵敏度极高，所以示踪剂的浓度可以很低，避免了示踪剂浓度大引起下沉而造成的误差，因此我们将某种同位素释放在水中，它们就会随着水一起流动，因此可以示踪水的流动速度和流动方向，只要将它们检测出来，我们就能得到地下水的多种性状参数，由于深层的地下水有很大的压力，并且伴有泥沙等多种杂质，其它的测量方法如光学，电磁，声波等都会受到不同的干扰，而放射性同位素发出的放射线可穿过测量探头的不锈钢外壳被探测器接收到，隔绝各种恶劣的环境条件，工作可靠，这是其它测量方法无法比拟的优点。

放射性同位素示踪水平流流向测量原理示意图

水平流测量探头的示意图如左图所示，在探头的内部均匀分布着6个射线探测器，当投源器将放射性溶液从4个投源孔投放出来时，对于探头而言是四周均匀分布的，当水流往一个方向流动时，放射性示踪剂晕就会发生变化，这样6个射线探测器接收到的射线量就不一样，结合电子罗盘确定的角度，就能计算出水流的方向了。

放射性同位素示踪水平流流速测量原理示意图

当水流流入探头附近时，流入的水就会稀释原来的放射同位素浓度，部分同位素流出，在开始和经过一段时间各测量一段相同的时间，所得到的计数值一定是不断减少的，在无垂向流或垂向流较小时(V v<1 m／h )，可用点稀释法测定地下水的渗透流速。滤水管(或裸孔)中的地下水被微量的放射性同位素标记，并混合均匀，示踪同位素随着地下水的流动而进入到含水层。可以证明地下水为层流时，放射性同位素计数值的变化和渗透流速Vf的关系服从如图公式，N0是初始计数，N是t时刻计数，t是测量时间，r1是测管内径：r0是探头半径；α是校正系数。

放射性同位素垂向流流速流向的测量

由示意图中可以看到，垂向流的射线探测器是垂直安放的，当投源器投放出来放射性溶液，它先被最近的探测器接收到，然后随水流的运动，被另一个探测器接收，两者相隔的时间可以测量出，距离也是确定的，这样水流的速度就被测量出来了。

放射性同位素的选用

放射性同位素有很多种，我们选用的是碘-131口服液，这是医院为了治疗和检查给病人口服的一种药剂，它的半衰期为8天，为无色透明液体，各地市甲级医院均有同位素科，来源较容易，安全性好，价格合理。碘-131按国家有关规定，在做了适当的放射性防护包装后，可由铁路、航空作包裹行李运输。目前的包装如图所示，外壳是一个直径27厘米的塑料容器，中间安放一个铁壳铅罐，由足够厚度的铅把射线给挡住出不来，打开铅盖，可以看到一个类似青霉素瓶的玻璃小瓶，里面有少量的透明液体，这就是放射性同位素，使用时需要加水进行稀释，然后再使用，碘-131每过8天， 就有一半通过衰变消失了，所以经过10半衰期，就基本没有放射性了。