การใช้เคมีของน้ำในการประเมินแหล่งน้ำ

วิเชียร รตนธงชัย
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

การใช้ความแตกต่างขององค์ประกอบออกซิเจนกับไฮโดรเจนในน้ำ สามารถแยกที่มาของแหล่งน้ำ ซึ่งความแตกต่างของไอโซโทปของธาตุเหล่านี้ ช่วยจำแนกน้ำในพื้นที่ออกจากน้ำที่มาจากแหล่งอื่น การใช้ความแตกต่างของไอโซโทป สามารถใช้หาอัตราส่วนน้ำในพื้นที่กับน้ำจากแหล่งอื่น ของตัวอย่างน้ำในบ่อ น้ำใต้ดิน น้ำที่รั่วไหล หรือน้ำซึม

ไอโซโทปเสถียรในน้ำ

ไอโซโทปของออกซิเจนกับไฮโดรเจนเกิดขึ้นตามธรรมชาติและรวมกันเป็นโมเลกุลของน้ำ กระบวนการวิเคราะห์ทางห้องปฏิบัติการ สามารถหาไอโซโทปดิวเทอเรียม (deuterium) ของไฮโดรเจน กับออกซิเจน-18 (O-18) ของออกซิเจนในตัวอย่างน้ำ ไอโซโทปเหล่านี้ไม่มีกัมมันตภาพรังสีและเรียกว่าไอโซโทปเสถียร (stable isotopes) ทั้งดิวเทอเรียมและออกซิเจน-18 มีมวลมากกว่าไฮโดรเจนกับออกซิเจนส่วนใหญ่ จึงเรียกไอโซโทปเหล่านี้ว่า ไอโซโทปหนัก (heavy isotopes)

อุณหภูมิ ระดับความสูง และระยะทางจากน้ำทะเล ล้วนมีผลต่อองค์ประกอบของไอโซโทปในน้ำฝนที่ตกลงมา เมื่อเมฆฝนพัดจากทะเลเข้าสู่แผ่นดิน ดิวเทอเรียมกับออกซิเจน-18 ซึ่งเป็นไอโซโทปที่หนักกว่า มีแนวโน้มที่จะกลั่นตัวและตกลงมาก่อน ทำให้เมฆที่พัดลึกเข้าไปในแผ่นดิน มีไอโซโทปหนักในปริมาณที่น้อยลง ฝนที่ตกลึกเข้าไปในแผ่นดินมากกว่าและบริเวณที่สูงกว่า จึงมีปริมาณไอโซโทปหนักน้อยกว่าฝนที่ตกใกล้ทะเล

 
 
รูปที่ 1. ค่าเดลตาของน้ำฝนในแต่ละแห่ง
ข้อมูลของไอโซโทปจะรายงานในรูปของค่าเดลตา (delta) ใช้สัญลักษณ์ (d) แสดงปริมาณดิวเทอเรียมกับออกซิเจน-18 ดังรูปที่ 2 องค์ประกอบของไอโซโทปในน้ำแสดงด้วยค่าที่เป็นลบ โดยเปรียบเทียบกับสารมาตรฐาน (Standard Mean Ocean Water)
 
 
รูปที่ 2 ค่าเดลตาของไอโซโทปดิวเทอเรียมกับออกซิเจน-18 ในน้ำฝน
มีค่าเป็นลบมากขึ้นตามระยะทางที่ลึกเข้าไปในแผ่นดิน

องค์ประกอบของไอโซโทปของน้ำฝนที่ตกลงมา จะมีค่าเดลตาเป็นลบมากขึ้น (มีไอโซโทปเบามากขึ้น) เมื่อเมฆฝนพัดเข้าสู่แผ่นดินด้วยระยะทางมากขึ้น ทำให้ปริมาณดิวเทอเรียมกับออกซิเจน-18 มีค่าลดลง ในรูปที่ 2 แสดงผลการวิเคราะห์ตัวอย่างน้ำจากห้องปฏิบัติการ ที่แสดงให้เห็นว่า น้ำที่มีไอโซโทปเบาจะมีทิศทางเข้าหาจุดตัดแกน ขณะที่น้ำที่มีไอโซโทปหนักจะมีทิศทางตรงข้าม ความแตกต่างของปริมาณไอโซโทปจึงสามารถใช้จำแนกน้ำฝนที่ตกในพื้นที่ ออกจากน้ำที่ไหลมาจากแผ่นดินที่อยู่ลึกเข้าไป หรือน้ำที่มาจากระดับที่อยู่สูงขึ้นไป องค์ประกอบของไอโซโทป สามารถใช้ประมาณสัดส่วนของน้ำในพื้นที่กับน้ำที่มาจากแหล่งอื่น ในตัวอย่างน้ำที่เกิดจากการผสมของน้ำทั้งสองแหล่ง

กรณีตัวอย่าง – Nevada Irrigation District

การชลประทานของเนวาดาจ่ายน้ำให้กับ Nevada และ Placer county เมือง Grass Valley, Auburn, และ Lincoln โดยรับน้ำมาจากพื้นที่สูงขึ้นไปใน Sierra Nevada เพื่อจ่ายน้ำให้กับพื้นที่บริการโดยใช้คลองและท่อส่งน้ำ บางครั้งการรั่วซึมของน้ำตามแนวคลองอาจจะทำให้เกิดความเสียหายต่อลำคลอง และทำให้เกิดปัญหาต่อการบริการ จึงมีความต้องการหาที่มาของน้ำที่ซึมออกมา เพื่อนำผลการวัดที่ถูกต้องไปวางแผนการบำรุงรักษาลำคลองต่อไป

น้ำที่ซึมออกมา อาจจะรั่วไหลมาจากลำคลองหรือไหลออกมาจากน้ำใต้ดิน การใช้ไอโซโทปเสถียรหาที่มาของน้ำตลอดแนวลำคลองโดยเก็บตัวอย่างน้ำจากการซึม (seepage) ออกมา ตัวอย่างน้ำในลำคลองและตัวอย่างน้ำในลำธารใกล้เคียง การวิเคราะห์องค์ประกอบของไอโซโทปของตัวอย่างแสดงให้เห็นว่า น้ำที่ส่งเข้ามาตามลำคลองแตกต่างจากน้ำในลำธาร น้ำใต้ดินเกิดขึ้นมาจากน้ำฝนที่ตกในพื้นที่ และมีปริมาณของไอโซโทปใกล้เคียงกับน้ำจากลำธารในบริเวณนั้น

กราฟของไอโซโทปในรูปที่ 3 แสดงให้เห็นว่าตัวอย่างน้ำซึมมีค่าอยู่ระหว่างน้ำจากลำธารกับน้ำที่ส่งมาตามลำคลอง ซึ่งแสดงว่าตัวอย่างน้ำซึมนั้นเกิดจากการผสมของน้ำในพื้นที่กับน้ำจากแหล่งอื่น สัดส่วนของน้ำในพื้นที่ในตัวอย่างน้ำซึมแปรผันตามระยะห่างจากค่าของตัวอย่างน้ำในพื้นที่ในกราฟไอโซโทป

ข้อมูลในกราฟไอโซโทป แสดงว่า 67% ถึง 88% ของตัวอย่างน้ำซึมเป็นน้ำในพื้นที่ ซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำใต้ดินที่ซึมขึ้นมาจากใต้ลำคลอง หน่วยงานที่รับผิดชอบจึงแก้ปัญหาโดยสร้างเส้นทางให้น้ำใต้ดินไหลห่างออกไป เพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบกับลำคลอง โดยลดการซึมของน้ำ ทำให้ลำคลองมีความมั่นคงมากขึ้น

 
 
รูปที่ 3 ปริมาณไอโซโทปเสถียรในตัวอย่างน้ำซึมเปรียบเทียบกับน้ำในพื้นที่กับน้ำจากลำคลอง

สรุป

ไอโซโทปเสถียรสามารถใช้ในการจำแนกแหล่งน้ำในพื้นที่ กับแหล่งน้ำจากภายนอก เทคนิคนี้สามารถใช้ในการหาแหล่งที่มาของน้ำใต้ดิน น้ำในบึง น้ำที่รั่ว หรือน้ำซึม ข้อมูลที่ได้ช่วยให้มีการบำรุงรักษาและจัดการน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพ

 
ถอดความจาก USING WATER CHEMISTRY TO EVALUATE WATER SOURCES
เว็บไซต์ www.usgs.org