水文研究中的追蹤劑選擇：從染料到同位素 | Discussdata

水文研究的重要性與追蹤劑的應用

水資源管理與污染控制是當代環境科學的核心議題，而水文研究正是解決這些問題的關鍵。透過對水體流動、混合過程的深入理解，科學家能夠更有效地預測水資源分佈、評估污染擴散風險。在這過程中，示 蹤 劑扮演了不可或缺的角色——它們如同水中的「偵探」，幫助研究者追蹤水流路徑、量化混合效率，甚至解析不同水源的貢獻比例。

從香港的溪流到珠江三角洲的地下水系統，示 蹤 劑技術已廣泛應用於亞洲水環境研究。例如，2021年香港環保署利用螢光染料追蹤屯門河污染源，成功定位非法排污口。這種「看得見」的研究工具，讓我們能直觀理解複雜的水文過程。本文將系統性介紹染料、鹽類、同位素及微粒四大類追蹤劑，剖析其特性與應用場景，為水文工作者提供科學的選擇依據。

染料追蹤劑：水中的彩色信使

當研究人員需要快速掌握地表水流動態時，染料追蹤劑往往成為首選。羅丹明WT（Rhodamine WT）因其鮮明的粉紅色和抗光解性，特別適合香港多雲天氣下的戶外實驗。這種合成染料在0.1ppb濃度下仍可被螢光光度計檢測，且每公斤成本僅約800港幣，性價比極高。然而在酸性水體中，其分子會與氫離子結合導致信號衰減，此時改用螢光素鈉（Fluorescein）更為合適。

• 操作優勢：現場注入後30分鐘內即可獲得初步數據
• 環境限制：強日照會使螢光素降解率達每日15-20%
• 創新應用：香港大學團隊曾同步使用胺基黑與羅丹明，成功區分暴雨期間地表徑流與污水管滲漏

值得注意的是，染料可能被黏土礦物吸附。2019年大嶼山地下水研究中，羅丹明的回收率僅68%，後續改用在香港科技大學研發的改性螢光微球才提升至92%。這提醒我們選擇示 蹤 劑時需實地測試吸附特性。

鹽類追蹤劑：電導率揭示的水文密碼

當研究涉及高流速地下水時，氯化鈉（NaCl）這類鹽類追蹤劑展現獨特價值。其電導率變化可通過簡單電極測量，且每噸成本不足50港幣。香港地質調查所曾於2020年在元朗沖積層注入200kg氯化鋰（LiCl），通過監測井網絡成功繪製出地下水流速分佈圖，數據顯示含水層東部流速達每日3.6米，較西部快40%。

在海水入侵研究中，鹽類示 蹤 劑的密度效應需特別關注。香港理工大學團隊發現，在鹹淡水交界帶使用溴化鉀（KBr）可減少密度驅動流干擾，其離子半徑與氯離子相近，能更真實反映實際運移過程。但任何鹽類注入都應控制總量不超過背景值20%，避免影響水生生態。

同位素追蹤劑：自然的指紋鑑定師

穩定同位素的天然優勢

氘（²H）和氧-18（¹⁸O）這類穩定同位素如同水的「DNA標籤」，能區分不同來源的水體。香港天文台長期監測發現，夏季季風降水中的δ¹⁸O值通常比冬季低3-4‰，此特性被用於解析水塘補給來源。雖然同位素質譜儀單次分析成本高達500-800港幣，但其提供的溯源信息無可替代。

放射性同位素的高敏偵測

當研究時間尺度跨越數十年時，氚（³H）的半衰期（12.3年）使其成為理想的地下水「時鐘」。香港境內測得的氚活度從1960年代核試高峰期的200TU降至現今5-10TU，正好用於判定地下水年齡。但使用這類示 蹤 劑需嚴格遵守《放射性物質管制條例》，運輸和儲存成本可能佔總預算30%以上。

微粒追蹤劑：懸浮世界的微觀探險

在沉積物遷移研究中，直徑50-200μm的螢光微球能模擬泥沙運動。香港科技大學海岸實驗室開發的聚乙烯微球密度可調（1.02-1.35g/cm³），能精準匹配不同粒徑泥沙。2022年珠江口實驗顯示，表面羧基修飾的微球在鹽度15‰時仍保持分散，回收率達85%，遠高於傳統染料法。

• 污水擴散研究：用不同顏色微球標記各排放口
• 挑戰：微球可能被濾食性生物攝入，需評估生態風險

最新趨勢是將量子點技術應用於示 蹤 劑，香港城市大學研發的CdSe/ZnS核殼結構微粒，其螢光強度是傳統染料的60倍，且光穩定性極佳，特別適合長期監測項目。

科學選擇追蹤劑的決策框架

選擇合適的示 蹤 劑需要系統性評估：

1. 研究目標：污染溯源需高特異性示蹤劑（如同位素），而流速測量可選經濟型染料
2. 環境參數：酸性水體避免使用鐵氰化物，高有機質環境慎防染料吸附
3. 法規遵循：香港《水污染管制條例》對羅丹明的單次投放量限制為5kg以下

建議採用階梯式決策：先進行文獻回顧與現場踏勘，再開展小規模預試驗，最後結合成本效益分析確定方案。例如香港渠務署在啟德河整治工程中，先後比較了三種示蹤劑才選定螢光素-氯化鈉複合方案。

追蹤技術的未來與多元應用

從染料的鮮豔色帶到同位素的精密譜線，各類示 蹤 劑共同構築了水文研究的觀測網絡。隨著香港「智慧水務」計劃推進，示蹤技術正與IoT傳感器、數值模型深度整合。未來可能出現奈米級DNA標記示蹤劑，實現單分子級別的追蹤精度。但無論技術如何演進，對水環境的敬畏之心與科學嚴謹性，永遠是水文研究的核心準則。

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