Datowanie wód podziemnych

Datowania wód podziemnych jest narzędziem do zarządzania zasobami wodnymi dla społeczności i biurach projektowych.

Opis

To właśnie na zalecenie dobrego stanu ekologicznego wód w 2015 r., Wymaganego przez europejską dyrektywę ramową, datowanie wód podziemnych może pomóc w odpowiedzi, umożliwiając oszacowanie czasu reakcji warstwy wodonośnej na jakąkolwiek zmianę.

Analiza stężeń CFC ma również drugą istotną zaletę w zarządzaniu działami wodnymi. Jest doskonałym wskaźnikiem wody w ostatnich latach, ponieważ jest charakterystyczny dla wód infiltrowanych po latach 50. XX w. Ich obecność w „starym” zwierciadle wody lub ich stopniowe pojawianie się podczas długotrwałej próby pompowania są oznakami połączeń wodonośnych eksploatowanych z wodami powierzchniowymi i w związku z tym potencjalna podatność zasobu.

Datowanie wód podziemnych pozwala odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące gospodarki wodnej:

Historyczny

Określenie czasu przebywania wód podziemnych często przeprowadza się pośrednio na podstawie rozwiązania równań Darcy'ego lub prawa Ficka . Ale ta metoda wymaga wyczerpującej wiedzy o środowisku podziemnym i jego właściwościach hydraulicznych, aby ograniczyć niepewność dotyczącą wieku. Bezpośrednie podejście z użyciem znacznika pozwala na bardziej obiektywną obserwację czasów przebywania w warstwie wodonośnej, w skali zlewni.

Istnieją różne typy znaczników przystosowanych do różnych rzędów wielkości, które można spotkać w środowisku podziemnym. Najbardziej znanym jest niewątpliwie węgiel 14 używany do okresów przebywania od kilkuset do 50 000 lat. Ogólnie rzecz biorąc, te warstwy wodonośne o bardzo niskim współczynniku odnawiania (czasami niewłaściwie kwalifikowane jako kopalne warstwy wodonośne) są dziś dość dobrze rozpoznane, ponieważ często są stosunkowo produktywnymi i szeroko stosowanymi warstwami wodonośnymi.

Drugim znacznikiem szeroko stosowanym w hydrogeologii jest tryt , którego stężenie w atmosferze osiągnęło szczyt we wczesnych latach sześćdziesiątych XX wieku po przeprowadzeniu atmosferycznych prób jądrowych. Stężenia są teraz znacznie niższe, a pomiary stały się znacznie trudniejsze do zinterpretowania.

W freony (CFC) są te charakterystyczne najnowszej wody przeniknął w ciągu ostatnich 50 lat. Są więc współczesnymi wskaźnikami intensyfikacji działalności człowieka, zarówno na poziomie rolniczym, jak i technologicznym.

CFC lub chlorofluorowęglowodory są lepiej znane pod nazwą handlową: freon . Produkcja tych gazów rozpoczęła się w latach pięćdziesiątych XX wieku jako pierwszy krok w kierunku zastąpienia zwykłych, raczej niebezpiecznych i toksycznych gazów chłodniczych ( amoniak , izobutan itp.). Od tego czasu mają wiele innych zastosowań jako gaz pędny do aerozoli, rozpuszczalników, surowiec w syntezie syntetycznych związków pianotwórczych.

CFC ze względu na ich nieszkodliwość dla populacji ludzkiej (niepalne, nietoksyczne lub rakotwórcze) są szeroko stosowane. W konsekwencji stężenia tych gazów w atmosferze wzrosły bardzo silnie od lat 60. XX w. Jednak już w 1974 r. Badania naukowe wykazały, że rodnik Cl powstały w wyniku fotolizy tych związków może mieć destrukcyjny wpływ na warstwę ozonową Ziemi. naturalny bastion chroniący przed promieniami słonecznymi UV . Od 1978 roku NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) uruchomiła program monitorowania związków chlorowcowanych (w tym CFC) w atmosferze. Od 1985 r. Produkcja tych związków jest regulowana protokołem montrealskim. Koniec CFC ogłoszono w latach 90. XX wieku, kiedy zostały one sklasyfikowane jako gazy cieplarniane. Podlegają również ratyfikowanemu w 1997 r. Protokołowi z Kioto.

Silny przemysłowy szał na te „cudowne” gazy i odkrycie ich szkodliwych właściwości dla środowiska doprowadziły do ​​charakterystycznej zmiany stężeń tych związków w atmosferze (ryc. 1): wykładniczy wzrost w latach 1950-1990, zanim okres plateau od lat 90. do 2000, po którym nastąpił niewielki spadek w porównaniu z 2000.

Ewolucja atmosferycznych stężeń CFC-12, CFC-11 i CFC-113 w latach 1940–2005. Stężenia wyrażono w pptv (część na bilion objętości) lub 0,0001 µl / l. Dane z Walker i in., 2000.

CFC po raz pierwszy zastosowano do datowania i monitorowania mas oceanicznych w latach 70. Pierwsze badania hydrogeologiczne datuje się na koniec lat 70. XX w., A ich bardziej regularne stosowanie towarzyszy opublikowaniu przez USGS procedury zbierania danych.

Datowanie wód za pomocą CFC było możliwe dzięki wiedzy:

Ponadto stężenia CFC w powietrzu i wodzie są wystarczająco duże, aby można je było określić ilościowo. Wreszcie są to związki, które są stosunkowo stabilne w obliczu atmosferycznych warunków fizykochemicznych i biogeochemicznych występujących w środowiskach podziemnych.

Jaki jest wiek wód gruntowych?

W warstwach wodonośnych wiek wód podziemnych, tj. Czas ich przepływu od punktu infiltracji do naturalnego ujścia lub nie (zlewni) może zmieniać się od dnia do milionów lat, w zależności od lokalnego kontekstu geologicznego i hydrogeologicznego. Dla hydrogeologów jest to „podstawowy” parametr, który umożliwia kalibrację czasu odnowy, czasu transferu i prędkości wody:

Tak więc znajomość wieku wody może dostarczyć odpowiedzi na problemy zanieczyszczenia rozproszonego lub punktowego oraz znajomość zasobów.

Datowanie wód podziemnych jest zatem narzędziem, które pozwala nam lepiej zrozumieć funkcjonowanie wód podziemnych. Zapewnia lepsze zrozumienie zmian właściwości chemicznych wód podziemnych i rzek z nimi związanych. Potwierdzony naukowo, jest obecnie innowacyjnym narzędziem wspomagania decyzji w zrównoważonym zarządzaniu zasobami wodnymi, dostępnym dla wszystkich zainteresowanych stron w zakresie ochrony zasobów wodnych.

Zasada randkowania

Teoretycznie zasada datowania za pomocą wskaźników atmosferycznych, takich jak CFC, jest dość prosta: woda, która infiltruje podłoże, osiąga równowagę z atmosferą, więc ma podpis chemiczny bezpośrednio związany ze składem atmosfery.

W środowisku podziemnym powszechnie przyjmuje się (przynajmniej w strefach doładowań) i dla uproszczenia, że ​​obieg wód podziemnych jest typu „cyrkulacji z efektem tłokowym”: w tym typie cyrkulacji mieszanie się mas wody infiltrowanej jest niewielkie. podczas różnych deszczy, a tym bardziej w różnych latach. W bardzo obrazowy sposób obieg wód gruntowych możemy przyswoić do naszyjnika z pereł, w którym każdy nowy infiltrowany deszcz (perła) wypycha ten poprzednio na miejscu, powodując, na końcu łańcucha, uwolnienie masy wody , na wylocie. Cały sens datowania wody polega na tym, aby wiedzieć, ile „pereł” znajduje się w „naszyjniku” reprezentującym obieg wód podziemnych. W bardziej złożonych sytuacjach próbka wody może reprezentować złożony wkład kilku stref wpływu, z których każda ma swój własny czas przebywania. W tym przypadku rozkład czasów przebywania w warstwie wodonośnej jest bardzo ważną miarą, nawet jeśli nie reprezentuje już bezpośrednio czasu przebywania, ale pozorny wiek.

Aby podążać za akwenem wodnym, wystarczy go „oznaczyć” za pomocą znaczników (rysunek 2). Zbiornik wodny, który infiltruje, zachowa swoją „sygnaturę atmosferyczną” podczas swojej podziemnej podróży do naturalnego (źródła, rzeka) lub sztucznego ( zbieranie , wiercenie ) ujścia .

Na tę „sygnaturę atmosferyczną” wody składa się kilka gazów atmosferycznych, ale zaleca się stosowanie jako znacznika jednego (lub więcej) związków, które nie są bardzo wrażliwe na degradację i adsorpcję w środowisku naturalnym i których stężenia z roku na rok są znane i różnią się wystarczająco, aby można je było odróżnić. Chlorofluorowęglowodory identyfikowano od lat 70. XX wieku w oceanografii i na początku lat 80. w hydrogeologii , jako spełniające te ograniczenia i dlatego stanowią odpowiednie wskaźniki mas wodnych.

Sukces datowania wód gruntowych na podstawie testu CFC opiera się na czterech głównych warunkach:

Analiza CFC

Stężenia CFC w atmosferze są niskie, rzędu µL na 1000 L powietrza. Ze względu na zasady rozpuszczalności gazów między wodą a powietrzem, stężenia CFC w wodach gruntowych są od 100 do 1000 razy niższe: rzędu pikomoli na litr (10–12 mol / l). Analiza CFC wymaga zatem najnowocześniejszych narzędzi analitycznych. Dzięki systemowi wstępnego zagęszczania, zwanemu oczyszczaniem i pułapką, który umożliwia skoncentrowanie w małej objętości (kilka mililitrów) wszystkich gazów w próbce (30 ml wody), uzyskuje się wyjątkowo wysoką granicę wykrywalności. osiągnął niski.

Kilka przykładów badań

W 2006 r. Około dwudziestu badań datowania wód podziemnych za pomocą freonów można było liczyć na około piętnastu stanowiskach (nie uwzględniono tu badań dotyczących trafności metody i wpływu niektórych parametrów). Chociaż większość badań odbywa się w Stanach Zjednoczonych, kilka z nich przeprowadzono w Europie lub Australii. Większość badań została opracowana przez (lub zaangażowanych) autorów E. Busenberga i N. Plummera (USGS, Reston) lub P. Cooka (CSIRO, Australia).

We Francji od 2007 r. Przeprowadzono około trzydziestu badań dotyczących datowania wód podziemnych za pomocą CFC dla zbiorników państwowych, zbiorników wodnych, wód termalnych i butelkowanych.

Uwagi i odniesienia

  1. Metcalfe i in. 1998
  2. Höhener i in., 2003
  3. Lovelock i wsp., 1973; Bullister i Weiss, 1983
  4. Randall i Schultz, 1976; Thompson i Hayes, 1979
  5. Busenberg i Plummer, 1992
  6. Plummer i Friedman, 1999
  7. Bauer i in., 2001
  8. Warner i Weiss, 1985; Bu i Warner, 1995
  9. Metcalfe i in., 1998
  10. Oster i wsp., 1996; Beyerle i wsp., 1999; Corcho Alvarado i in., 2005
  11. Cook i Simmons, 2000


Zobacz też

Linki wewnętrzne

Bibliografia

Linki zewnętrzne