การใช้เทคนิคไอโซโทปในทางอุทกวิทยา

ปัจจุบันโลกกำลังประสบภาวะขาดแคลนน้ำและการเสื่อมของแหล่งน้ำ เนื่องจากการขยายตัวทางอุตสาหกรรม เกษตรกรรม รวมทั้งการใช้น้ำเพื่อการอุปโภคบริโภค ทำให้ความต้องการน้ำจืดเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว น้ำกำลังจะกลายเป็นสิ่งที่ล้ำค่า

จากการประเมินอย่างคร่าว ๆ ถึงอัตราส่วนแหล่งน้ำ ต่อจำนวนประชากรโลกพบว่า อัตราส่วนปัจจุบัน เหลือเพียงครึ่งหนึ่งของปี ค.ศ. 1960 จากข้อมูลนี้ ธนาคารโลก (World Bank) จึงคาดการณ์ว่า ในปี ค.ศ. 2025 อัตราส่วนดังกล่าวจะลดลงมา เหลือเพียงครึ่งหนึ่งของค่าปัจจุบัน (ดูรูปที่ 1) ดังนั้น ถ้าปราศจากการจัดการแหล่งน้ำที่มีประสิทธิภาพ ก็จะก่อให้เกิดปัญหาอย่างใหญ่หลวง ต่อการเจริญเติบโตทางเศรษฐกิจ ทั้งยังส่งผลเสียต่อสุขภาพของมนุษย์และสิ่งแวดล้อมอีกด้วย

ประเด็นปัญหาที่เกิดขึ้นนี้ กระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์ทำการศึกษาพัฒนา และนำความรู้ทางด้านวิทยาศาสตร์นิวเคลียร์ โดยการวิเคราะห์ด้วยเทคนิคพิเศษซึ่งมีชื่อเรียกว่า เทคนิคไอโซโทป “Isotope techniques” เพื่อช่วยในการพัฒนา และการจัดการทรัพยากรน้ำอย่างมีประสิทธิภาพ

ไอโซโทปต่าง ๆ ที่ประกอบอยู่ในน้ำ จะบอกอะไรเราได้บ้าง?

ธาตุประกอบด้วยอะตอมที่มีเลขมวลแตกต่างกันเรียกว่า “ไอโซโทป” โมเลกุลของน้ำหนึ่งโมเลกุลจะประกอบด้วย ออกซิเจน 1 อะตอม และ ไฮโดรเจน2 อะตอม ในธรรมชาติเราจะพบออกซิเจน 2 ไอโซโทป ได้แก่ ออกซิเจน-16 (¹⁶O) และ ออกซิเจน-18 (¹⁸O) ส่วน ไฮโดรเจนจะพบได้ 3 ไอโซโทปคือ ¹H (ไฮโดรเจน) ²H (ดิวเทอเรียม) และ ³H (ทริเทียม) โดยปกติแต่ละไอโซโทปจะมีสัดส่วนที่คงตัวค่าหนึ่ง ๆ แต่เมื่อน้ำมีการเปลี่ยนแปลงสถานะตามธรรมชาติ เนื่องจากเกิดการระเหยและการควบแน่น ความเข้มข้นของไอโซโทปออกซิเจนและไฮโดรเจน ในโมเลกุลของน้ำ จะเกิดการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย ทำให้น้ำจากแหล่งต่าง ๆ เช่น น้ำทะเล น้ำฝน น้ำบาดาล มีอัตราส่วนไอโซโทปที่แตกต่างกันไป จากการพัฒนาอุปกรณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่ทันสมัย (isotope ratio mass spectrometer) ทำให้เราสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของไอโซโทปเหล่านี้ได้อย่างแม่นยำ

วัฎจักรทางอุทกวิทยาของน้ำสามารถศึกษาโดยติดตามไอโซโทปที่หนักของไฮโดรเจน (²H) เรียกว่า ดิวเทอเรียมและออกซิเจน (¹⁸O) น้ำที่อยู่ในสิ่งแวดล้อมที่แตกต่างกันก็จะมีอัตราส่วนไอโซโทปที่แตกต่างกัน ซึ่งเป็นเสมือนลายนิ้วมือ สามารถที่จะพิสูจน์และติดตามหาแหล่งกำเนิดของน้ำได้

ไอโซโทปในธรรมชาติบางชนิดเป็นไอโซโทปรังสี ซึ่งสามารถที่จะเกิดการสลายกัมมันตรังสีได้ เช่น ทริเทียม และคาร์บอน-14 (¹⁴C) ซึ่งมีอยู่เป็นปริมาณน้อยมาก ส่วนใหญ่ ทริเทียมและคาร์บอน-14 ในบรรยากาศเกิดจากการทดลองอาวุธนิวเคลียร์ในปี 1960 ไอโซโทปเหล่านี้ จะปนอยู่ในน้ำบาดาล โดยการแทรกซึมของน้ำฝนหรือน้ำจากผิวดิน โดยคาร์บอนนั้นมักจะพบอยู่ในรูปของสารประกอบคาร์บอเนต เราสามารถที่จะตรวจสอบไอโซโทปรังสีเหล่านี้ได้ด้วยอุปกรณ์เฉพาะทางที่มีความไวสูง จากครึ่งชีวิตและปริมาณของไอโซโทปรังสีเหล่านี้ ซึ่งจะถูกนำมาคำนวณค่าเป็นอายุ หรือช่วงเวลาที่น้ำบาดาลถูกกักอยู่ในแหล่งนั้น ๆ ซึ่งจะบ่งบอกถึงอัตราการเข้ามาแทนที่ ซึ่งเท่ากับอัตราการเคลื่อนที่ของน้ำที่เข้ามาเติมเต็มได้

เทคนิคไอโซโทปยังสามารถที่จะประเมินมลภาวะของน้ำบาดาล โดยศึกษาการเคลื่อนของมลพิษจากน้ำผิวดิน การศึกษาแหล่งเติมเต็มน้ำบาดาลจะสามารถบ่งชี้สภาวะการปนเปื้อนว่ามาจากธรรมชาติ อุตสาหกรรม เกษตรกรรม หรือมาจากบ้านเรือน เพื่อการวางแผนป้องกันก่อนที่จะเกิดปัญหา

ถึงแม้เทคนิคไอโซโทปจะไม่สามารถใช้ค้นหาตำแหน่งของแหล่งน้ำใต้ดิน ยังต้องใช้ความรู้ทางธรณีวิทยาและธรณีฟิสิกส์ แต่เทคนิคนี้สามารถให้ค่าเบื้องต้นของการไหล และต้นกำเนิดของน้ำ เป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์อย่างยิ่ง ในการประเมินการขุดเจาะบ่อบาดาล และนักอุทกวิทยา สามารถที่จะนำข้อมูลเหล่านี้ สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เพื่อการจัดการน้ำบาดาลอย่างมีประสิทธิภาพ

นอกจากนั้น เรายังสามารถนำไปใช้ในการศึกษา เกี่ยวกับสภาวะโลกร้อน โดยติดตามไอโซโทปของคาร์บอน ในแก๊สเรือนกระจก (greenhouse gas) ที่มาจากกิจกรรมของมนุษย์ ไอโซโทปของไนโตรเจนและกำมะถัน จะช่วยอธิบายการเกิดแก๊สพิษ และฝนกรดจากอุตสาหกรรม ไอโซโทปของออกซิเจน และโฮโดรเจนในน้ำ จะใช้บ่งชี้อุณหภูมิของอากาศ ความสัมพันธ์ระหว่างความชื้นและจำนวนของน้ำฝน อีกทั้งยังใช้ศึกษาการเปลี่ยนแปลง ของบรรยากาศในโลกยุคต่างๆ โดยการศึกษาน้ำ ที่มาจากแหล่งที่ไม่มีการเปลี่ยนแปลงเป็นเวลานับล้านปี อาทิบริเวณขั้วโลก

อนึ่ง เทคนิคไอโซโทปยังใช้ในการศึกษาแหล่งความร้อนใต้พิภพ เพราะเมื่อน้ำฝนเคลื่อนที่ลึกลงไปในเปลือกโลก น้ำก็จะมีอุณหภูมิสูงขึ้น บางครั้งก็จะโผล่ออกมาที่ผิวโลกกลายเป็นน้ำพุร้อน ซึ่งในหลายประเทศ แหล่งกำเนิดพลังงานความร้อนใต้พิภพ ถูกนำมาใช้ประโยชน์โดยการเจาะและควบคุมแหล่งกำเนิด หรือการใช้น้ำร้อนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า เทคนิคไอโซโทป สามารถใช้หาต้นกำเนิด และทิศทางการไหลของของไหล ของน้ำร้อนใต้พิภพ เนื่องจากน้ำที่มาจากแหล่งความร้อนใต้พิภพ จะมีอัตราส่วนไอโซโทปของ ออกซิเจน 18 และ ดิวเทอเรียม ที่แตกต่างจากแหล่งน้ำอื่น ๆ ดังนั้น ข้อมูลเหล่านี้ ก็จะถูกใช้เพื่อช่วยเหลือ ในการค้นหาต้นกำเนิดแหล่งพลังงานความร้อนใต้พิภพได้อีกทางหนึ่ง

นอกจากนั้น หากเปรียบเทียบเทคนิคไอโซโทปกับวิธีการอื่น ๆ ที่ใช้เพื่อการติดตามและพิสูจน์ความสัมพันธ์ในการประเมินแหล่งกำเนิดและการจัดการทรัพยากรน้ำแล้ว ยังเป็นเทคนิคที่มีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าอีกด้วย

กิจกรรมทางอุทกวิทยาไอโซโทป (isotope hydrology) ในประเทศไทย

• การประยุกต์ใช้เทคนิคคาร์บอน 14 ในการหาอายุน้ำบาดาล
• การพัฒนาเทคนิคการวิเคราะห์ทริเทียม ในน้ำบาดาลโดยการเพิ่มความเข้มข้น
• การหาอายุน้ำบาดาลแอ่งกรุงเทพฯ
• การใช้เทคนิคไอโซโทปในการศึกษาน้ำบาดาลแอ่งเชียงใหม่
• การประยุกต์ใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ เพื่อทำนายการไหลของน้ำใต้ดิน ในพื้นที่ปนเปื้อนสารหนู อ.ร่อนพิบูลย์ จ.นครศรีธรรมราช
• การใช้เทคนิคไอโซโทปศึกษาการปนเปื้อนน้ำบาดาล ในชุมชนและอุตสาหกรรมของแอ่งหาดใหญ่
• การใช้เทคนิคไอโซโทปในการศึกษาระบบน้ำบาดาลในทุ่งกุลาร้องให้และพื้นที่ใกล้เคียง
• การตรวจสอบ และวิเคราะห์การรั่วซึมของเขื่อน
• Assessment of Trends in Freshwater Quality Using Environmetal Isotopes and Chemical Techniques for Improved Resources Management (โครงการใหม่ในปี พ.ศ. 2550-22551)
• การใช้เทคนิคไอโซโทปช่วยในการจัดการทรัพยากรน้ำบาดาล แอ่งน้ำชีตอนบน และแอ่งน่านตอนล่าง (โครงการใหม่ในปี พ.ศ. 2550-2553)

การสนับสนุนจากทบวงการปรมาณูระหว่างประเทศ

ได้มีการวิจัยทั่วโลกและการประยุกต์ใช้เทคนิคไอโซโทปที่เป็นไปได้ และเกิดความสะดวกในการที่จะเสนอความแม่นยำ นับตั้งแต่ปี 1950 เป็นต้นมา ห้องปฎิบัติการทางด้านอุทกวิทยาไอโซโทปของทบวงการปรมาณูระหว่างประเทศ ได้มีหน้าที่ในการบุกเบิกขัดเกลาและขยายเทคนิคนี้ กิจกรรมที่สำคัญของห้องปฎิบัติการ

• ตรวจวัดไอโซโทปของ H-2 H-3 C-13 C-14 และ O-18 ในน้ำและสารตั้งต้นของสิ่งแวดล้อมตัวอื่น ๆ
• พัฒนาเทคนิคการวิเคราะห์ใหม่ ๆ ผลิตและสนับสนุนการผลิตสารมาตรฐานเพื่อการวิเคราะห์
• กิจกรรมทางด้านไอโซโทปและการวิเคราะห์ทางเคมีสำหรับหน่วยงานวิจัย
• โครงการความร่วมมือ และ เครือข่ายไอโซโทปของน้ำฝนทั่วโลก
• โครงการการวิเคราะห์เปรียบเทียบกันระหว่างองค์กรนานาชาติ (intercomparison test)
• ให้การสนับสนุนในการพัฒนา การวิเคราะห์ ในฐานะสมาชิก ให้การฝึกอบรมทางอุทกวิทยาไอโซโทป และเทคนิคการวิเคราะห์ทางเคมี