目录 序 刘昌明 i Foreword Joel Gat iii Foreword Jeffrey J. McDonnell and Carol Kendall v 前言 顾慰祖 vii Acknowledgements Gu Weizu ix 第一章 水文学和同位素 任立良 顾慰祖 1 第一节 水文学和原子核层面的水文学 1 第二节 同位素和环境同位素 3 第三节 水和水圈 10 第四节 水循环和水文循环 21 第五节 同位素水文学 28 第二章 原子核衰变和原子核反应 陈廷扬 顾慰祖 37 第一节 原子核的放射性衰变类型 37 第二节 天然放射系 41 第三节 放射性衰变和放射性平衡 44 第四节 原子核反应 50 第三章 稳定同位素分馏 童海滨 王永森 韩良峰 53 第一节 同位素效应 53 第二节 同位素分馏 56 第三节 同位素平衡分馏 64 第四节 同位素非平衡分馏 70 第五节 瑞利分馏模型：用于描述非平衡分馏过程的数学模型 73 第六节 同位素的质量不相关分馏 81 第四章 陆地水的同位素地球化学流 顾慰祖 88 第一节 同位素水文系统 88 第二节 同位素地球化学流 89 第三节 宇宙性成因核素 94 第四节 地球内部圈层放射性成因核素 96 第五节 人为成因放射性核素 100 第五章 水循环中氢、氧稳定同位素的基本关系与分异 顾慰祖 105 第一节 氢、氧稳定同位素 105 第二节 海洋水 108 第三节 大气水汽与降水 112 第四节 降水氢、氧稳定同位素的线性关系 119 第五节 降水氢、氧稳定同位素关系的演化和分异 127 第六章 降水的氢、氧同位素特征 王东升 王坤 150 第一节 降水同位素监测 150 第二节 降水中的氚 152 第三节 降水中的氘和氧-18162 第七章 蒸发与凝结作用下常见水体氢、氧稳定同位素组成间的理论关系 童海滨 王永森 178 第一节 从经验型的氘和氧-18关系线到解析型的氘和氧-18关系线 178 第二节 受温度和湿度影响的蒸发水体中氘和氧-18的理论关系 180 第三节 河道水体蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其相互关系 183 第四节 潜水蒸发过程中氢、氧稳定同位素变化规律及其理论关系 188 第五节 降水过程中氢、氧稳定同位素的理论关系 192 第六节 曲线型氘和氧-18关系式和直线型氘和氧-18关系式的数学关系 197 第八章 江河水宋献方 刘鑫 199 第一节 江河水的氢、氧同位素组成及其变化 199 第二节 江河水其他环境同位素的组成及其变化 211 第三节 中国江河同位素观测网络 221 第九章 湖泊与水库 胡海英 谭忠成 包为民 224 第一节 湖泊、水库的同位素水文平衡 第二节 湖泊、水库水体中的氢、氧稳定同位素分布 232 第十章 地下水补给 顾慰祖 239 第一节 地下水形成的宏观背景和地下水成因分类 239 第二节 水文循环成因地下水的补给和类型 264 第三节 基于非饱和带的地下水补给研究：“点”的补给 281 第四节 基于饱和带的地下水补给研究：“面”的补给 319 第五节 地下水补给高程识别：氢、氧稳定同位素的应用 328 第六节 地下水补给环境条件识别和气候变化：惰性气体氖、氩、氪、氙的应用 333 第七节 地下水补给区识别：惰性气体氦、氖及锶、碳同位素的应用 346 第八节 地下水补给源识别：铀放射系不平衡的应用 356 第九节 地下水硫源和补给系统识别：硫同位素的应用 371 第十一章 地下水污染 378 第一节 水分子同位素在地下水污染研究中的应用 379 第二节 氮同位素在地下水硝酸盐污染研究中的应用 382 第三节 硫同位素在地下水硫酸盐污染研究中的应用 409 第四节 硼同位素在地下水污染研究中的应用 415 第五节 碳同位素在地下水无机和有机污染研究中的应用 419 第十二章 地下水年龄测定 张之淦 429 第一节 基本概念和方法 429 第二节 氚法 439 第三节 人工化合物标记法 452 第四节 氚-(氦-3法 464 第五节 碳-14法 470 第六节 氯-36法 507 第七节 铀系法 524 第八节 其他方法 530 第九节 同位素测年的数学模拟 538 第十三章 矿区地下水 桂和荣 陈陆望 551 第一节 矿区含水层氢、氧同位素水文地球化学特征：以皖北矿区为例 552 第二节 含水层具有水力联系的氢、氧稳定同位素分析 561 第三节 突水含水层水循环的氚含量分析 562 第四节 矿区地下水氢、氧同位素组成的水化学判别模式 566 第五节 矿区突水水源的氢、氧稳定同位素识别模式 573 第十四章 地热水 庞忠和 576 第一节 地热水概述 576 第二节 不同成因地热水的同位素 578 第三节 地热水同位素分馏 580 第四节 水同位素地温计 587 第十五章 地下卤水 王东升 王坤 591 第一节 地下卤水概述 591 第二节 氧-18和氘在地下卤水中的分布 595 第三节 地下卤水的稀有气体年代学研究 611 第十六章 盐湖水 焦鹏程 张建伟 614 第一节 中国现代盐湖的分布和一般特征 615 第二节 中国现代盐湖的同位素特征 619 第三节 中国主要现代盐湖区的同位素研究 625 第十七章 同位素水文地质研究的方法论 王瑞久 647 第一节 同位素技术和地质、水文、地球化学信息相结合 648 第二节 从古气候变化和环境影响去理解地下水的补给、径流和排泄过程 653 第三节 环境同位素和地球化学研究实例和研究方法分析 658 第十八章 淡水生态水文系统 Carol Kendall 727 I淡水生态系统有机物天然源的稳定同位素示踪 727 第一节 有机物质来源的一般同位素组成 727 第二节 土壤有机物的同位素组成 730 第三节 陆生植物的同位素组成 732 第四节 水生植物的同位素组成 733 第五节 河系天然有机源稳定同位素组成的变化 736 Ⅱ淡水生态系统有机物人为源的稳定同位素示踪 742 第六节 氮源的同位素组成 742 第七节 氮循环中天然和人为混合氮源的同位素划分 746 第八节 人为污染氮源的多种同位素示踪方法：同位素生态监测 749 第九节 不同环境河流和流域中的应用 752 第十九章 同位素土壤侵蚀研究 李占斌 侯建才 王全九 758 第一节 放射性核素示踪原理与方法 758 第二节 示踪核素在土壤中的分布特征 765 第三节 示踪核素确定土壤侵蚀速率 771 第四节 示踪核素确定流域泥沙来源 783 第二十章 同位素水文测验 顾慰祖 张钰 陆家驹 786 第一节 雪的同位素测验 786 第二节 河流流量的同位素测验 790 第三节 河流悬移质输沙率的同位素测验 794 第四节 河流推移质输沙率的同位素测验 801 第五节 土壤水的同位素测验 807 第六节 土壤蒸发的同位素测验 827 第二十一章 同位素水文实验：流域水文研究 顾慰祖 833 第一节 水文学危机和水文实验 833 第二节 流域降水径流关系 834 第三节 流域产流 845 第四节 流量过程线划分 854 第二十二章 陆地水的元素组成 顾慰祖 陆家驹 863 第一节 中子活化分析方法的应用 863 第二节 降水元素组成 870 第三节 地表水元素组成 873 第四节 地下水元素组成 879 第二十三章 地下水中的同位素异常与地震前兆 赵霞 886 第一节 同位素示踪剂指示地下流体的成因与迁移 886 第二节 地下水中同位素异常与地震前兆的关系 888 第三节 同位素在其他地震研究中 916 第二十四章 质谱学原理与同位素质谱分析方法 霍卫国 张福松 920 第一节 质谱学概论 920 第二节 质谱仪的工作原理、结构和主要性能指标 923 第三节 气相轻元素的稳定同位素分析概要 934 第四节 用于同位素测定的样品制备系统和质谱分析方法 942 第二十五章 水中氚、碳同位素、惰性气体及其同位素和氯氟烃的测定方法 韩良峰 954 第一节 常用概念及术语 954 第二节 测定同位素常用的方法及原理 964 第三节 水中氚的测定 974 第四节 水中碳同位素的测定 978 第五节 水中惰性气体的测定 989 第六节 水中氯氟烃的测定 997 第二十六章 同位素水文研究采样方法 韩良峰 1003 第一节 采样的前期准备和要求 1003 第二节 从不同的样品源采集样品的方法 1013 第三节 按不同分析项目采集样品的方法 1026 第四节 样品的整理、保存和管理 1043 参考文献 1044 附录1 国际原子能机构(IAEA)同位素水文学国际讨论会会议论文集书目 1098 附录2 编著者概况 1099 索引 1104 Contents Foreword Changming Liu i Foreword Joel Gat iii Foreword Jeffrey J. McDonnell and Carol Kendall v Preface Weizu Gu vii Acknowledgements Weizu Gu ix Chapter 1 Hydrology and Isotope Hydrology Liliang Ren and Weizu Gu 1 1 Hydrology and the hydrology of nuclear level 1 2 Isotopes and environmental isotopes 3 3 Water and hydrosphere 10 4. Water cycle and hydrological cycle 21 5 Isotope hydrology 28 Chapter 2 Radioactive Decay and Nuclear Reactions Tingyang Chen and Weizu Gu 37 1 Types of radioactive decay 37 2 Natural radioactive series 41 3 Radioactive decay and balance 44 4 Nuclear reactions 50 Chapter 3 Stable Isotope Fractionation Haibin Tong, Yongsen Wang and Liangfeng Han 53 1 Isotope effect 53 2 Isotope fractionation 56 3 Equilibrium isotope fractionation 64 4 Non-equilibrium isotope fractionation 70 5 Rayleigh fractionation model——the model describing non-equilibrium fractionation process 73 6 Mass independent isotope fractionation 81 Chapter 4 Isotopic Geochemical Flux of Continental Waters Weizu Gu 88 1 Isotopic hydrological system 88 2 Isotopic geochemical flux 89 3 Cosmogenic nuclides 94 4 Terrestrial nuclides 96 5 Anthropogenic nuclides 100 Chapter 5 Fundamental Relationships Between Hydrogen and Oxygen Stable Isotopes and Its Evolution in the Water Cycle Weizu Gu 105 1 Stable hydrogen and oxygen isotopes 105 2 Ocean water 108 3 Atmospheric water vapor and precipitation 112 4 The linear co-relationship between stable hydrogen and oxygen isotopes of precipitation 119 5 The evolution and differentiation of the relationship between stable hydrogen and oxygen isotopes of precipitation during hydrological processes 127 Chapter 6 Features of Hydrogen and Oxygen Isotopes in Precipitation Dongsheng Wang and Kun Wang 150 1 Monitoring of isotopes-in-precipitation 150 2 Tritium in precipitation 152 3 Deuterium and oxygen-18 in precipitation 162 Chapter 7 Theoretical Relationships Between Stable Oxygen and Hydrogen Isotopes in Precipitation and in Different Water Bodies under the Condition of Evaporation and Condensation Haibin Tong and Yongsen Wang 178 1 The analytical derivation of the relationship between stable oxygen and hydrogen isotopes 178 2 Relationship between stable oxygen and hydrogen isotopes of evaporating water body affected by temperature and moisture 180 3 The variation and interrelation of stable oxygen and hydrogen isotopic compositions in river water during evaporation process 183 4 The variation and interrelation of stable oxygen and hydrogen isotopic compositions of phreatic water during evaporation process 188 5 Relationship of stable oxygen and hydrogen isotopes of precipitation during condensation process 192 6 Mathematical derivation of the relationships between linear and non-linear interrelation of stable 18O and 2H isotopes 197 Chapter 8 River Water Xianfang Song and Xin Liu 199 1 Composition variations of stable oxygen and hydrogen isotopes in river water 199 2 Composition variations of other isotopes in river water 211 3 CHNIR: China Network of Isotopes in River 221 Chapter 9 Lake and Reservoir Haiying Hu, Zhongcheng Tan and Weimin Bao 224 1 Stable isotope mass balance method for lakes and reservoirs 224 2 Distribution of stable oxygen and hydrogen isotopes in lakes and reservoirs 232 Chapter 10 Groundwater Recharge Weizu Gu 239 1 The macro-environmental background to the formation of groundwater and the classification suggestions according to its formation 239 2 The types of groundwater recharge during hydrological eycling 264 3 Methods of recharge study based on unsaturated zone: the “point estimation” 281 4 Methods of recharge study based on saturated zone: the “areal estimation” 319 5 Identification of the groundwater recharge altitude: application of stable oxygen and hydrogen isotopes 328 6 Identification of the groundwater recharge environment and climate changes: application of isotopes of Ne, Ar, Kr, Xe 333 7 Identification of the groundwater recharge area: application of isotopes of He, Ne, Sr, C 346 8 Identification of the groundwater recharge sources: application of uranium disequilibrium 234U/238U 356 9 Identification of the groundwater recharge system and its sulfur sources: application of isotopes of S 371 Chapter 11 Groundwater Pllution Cuiyun Zhang 378 1 Water molecular isotopes in application of groundwater contamination studies 379 2 Nitrogen isotopes in application of groundwater nitrate contamination studies 382 3 Sulphur isotopes in application of groundwater sulphate contamination studies 409 4 Boron isotopes in application of groundwater contamination studies 415 5 Carbon isotopes in application of groundwater inorganic and organic contamination studies 419 Chapter 12 Groundwater Age-dating Zhigan Zhang 429 1 Basic concept and methods for groundwater age dating 429 2 Tritium 3H) method 439 3 Man-made-chemicals methods 452 4 Tritium and Helium-3 3H/3He) method 464 5 Radiocarbon 14C) method 470 6 Chlorine-36 36C1 method 507 7 Uranium series method 524 8 Other methods 530 9 Mathematical modeling of dating 538 Chapter 13 Groundwater in Mining Area Herong Gui and Luwang Chen 551 1 Hydrogeochemical characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in aquifers of mining area: Taking Wanbei mining area for example 552 2 Hydrogen and oxygen isotopic analysis for aquifers with hydraulic connections 561 3 Titium content analysis for hydrological cycling of water-bursting aquifers 562 4 Hydrochemistry discrimination mode of hydrogen and oxygen isotopic compositions in groundwater of the mining area 566 5 Hydrogen and oxygen isotopic identification model for water-bursting sources in the mining area 573 Chapter 14 Geothermal Waters Zhonghe Pang 576 1 Overview of geothermal waters 576 2 Isotopic composition of geothermal waters of various origins 578 3 Isotope fractionation in geothermal waters 580 4 Water isotope geothermometry 587 Chapter 15 Underground Brine Water Dongsheng Wang and Kun Wang 591 1 Summarization about the underground brine water 591 2 Distribution of oxygen-18 and deuterium in the underground brine water 595 3 The noble gas chronology research in the underground brine water 611 Chapter 16 Saline lake water Pengcheng Jiao and Jianwei Zhang 614 1 Distribution and general characteristics of modern saline lake in China 615 2 Isotope characteristics of modern saline lakes in China 619 3 Isotope characteristics of main modern saline lake regions in China 625 Chapter 17 Methodology for isotope hydrogeology studies Ruijiu Wang 647 1 Combination of isotope method with information from geology, hydrology and geochemistry 648 2 Understanding the processes of groundwater recharge, runoff and discharge from the changes of palaco-climate and environment 653 3 A review of case studies by using of environmental isotopes and geochemical methods 658 Chapter 18 Stable isotope tracing for freshwater hydrological ecosystem Carol Kendall 727 I Stable isotope tracing for the natural sources of organic matter in fresh hydrological ecosystem 727 1 Organic matter sources and its general isotope composition 727 2 Isotope composition of soil organic matter 730 3 Isotope composition of terrestrial plants 732 4 Isotope composition of aquatic plants 733 5 Variation of stable isotope composition of natural organic matter sources in fresh hydrological ecosystem 736 Ⅱ Stable isotope tracing for the anthropogenic sources of organic matter in fresh hydrological ecosystem 742 6 Isotope compositions of major N soures 742 7 Separting mixing of natural and anthropogenic sources from nitrogen cycling 746 8 Multi-isotope approach for tracing anthropogenic contaminants: Isotope biomonitoring 749 9 Applications to river and basin of different environmental settings 752 Chapter 19 Isotope tracing for soil erosion Zhanbin Li, Jiancai Hou and Quanjiu Wang 758 1 Principle and method of radioactive tracing 758 2 Distribution features of radioactive tracers in soil 765 3 Determining erosion rate using radioactive tracers 771 4 Determining sources of river sediment from isotope tracing 783 Chapter 20 Nuclear methods for hydrometry: Nuclear hydrometry Weizu Gu, Yu Zhang and Jiaju Lu 786 1 Snow cover measurements 786 2 Stream gauging and flow measurements 790 3 Stream suspended-load measurements 794 4 Stream bed-load measurements 801 5 Soil moisture measurements 807 6 Land evaporation measurements 827 Chapter 21 Isotope tracing for fundamentals of hydrology: Isotope basin study Weizu Gu 833 1 The risk of hydrology and hydrological experimentation 833 2 Catchment rainfall-runoff relationships 834 3 Catchment runoff generation 845 4 Hydrograph separation 854 Chapter 22 Element composition of continental waters Weizu Gu and Jiaju Lu 863 1 Application of neutron activation analysis 863 2 Element composition of rainwater 870 3 Element composition of surface water 873 4 Element composition of groundwater 879 Chapter 23 Isotope abnormal in groundwater as the precursor of earthquake xia zhao886 1 Isotope tracers indicating formation and migration of underground liquid 886 2 Isotope abnormal in groundwater related to earthquake precursor 888 3 Applications of isotopes on other studies for earthquake 916 Chapter 24 Principles of mass spectrometry and stable isotope measurements Weiguo Huo and Fusong Zhang 920 1 Introduction to mass spectrometry 920 2 Principle, structure and performance of mass spectrometer 923 3 Measurements of stable isotopes of light elements using gas source mass spectrometer 934 4 Sample preparation and stable isotopes measurements using mass spectrometer 942 Chapter 25 Determination of tritium, carbon and noble gas isotopes, and chlorofluorocarbons in waters Liangfeng Han 954 1 Nomenclature and definitions 954 2 Common methods and principles of determining isotopes 964 3 Determination of tritium in water 974 4 Determination of carbon isotopes in water 978 5 Determination of noble gases in water 989 6 Determination of chlorofluorocarbons in water 997 Chapter 26 Sampling methods for environmental tracers in hydrological studies Liang feng Han 1003 1 Preparation for sampling campaign 1003 2 Methods for collecting samples from different waters 1013 3 Methods for collecting samples aimed at different isotopes to be analysed 1026 4 Inspection, storage and management of water samples 1043 References 1044 Appendix 1 IAEA Symposium proceedings for isotope hydrology 1098 Appendix 2 Resume of contributors 1099 Index 1104
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