stringtranslate.com

Пополнение запасов грунтовых вод

Водный баланс

Подпитка грунтовых вод или глубокий дренаж или глубокая фильтрация - это гидрологический процесс, при котором вода перемещается вниз от поверхностных вод к грунтовым водам . Подпитка - это основной метод, посредством которого вода попадает в водоносный горизонт . Этот процесс обычно происходит в зоне аэрации под корнями растений и часто выражается как поток к поверхности грунтовых вод . Подпитка грунтовых вод также включает в себя перемещение воды от уровня грунтовых вод дальше в насыщенную зону. [1] Подпитка происходит как естественным образом (через круговорот воды ), так и посредством антропогенных процессов (т. е. «искусственное подпитка грунтовых вод»), когда дождевая вода и/или восстановленная вода направляются в недра.

Наиболее распространенными методами оценки скорости пополнения являются: баланс массы хлорида (CMB); методы физики почвы; экологические и изотопные трассеры; методы колебания уровня грунтовых вод; методы водного баланса (WB) (включая модели грунтовых вод (GMs)); и оценка базисного стока (BF) в реки. [2]

Процессы

Рассеянные или сфокусированные механизмы

Подпитка грунтовых вод может происходить посредством диффузных или сосредоточенных механизмов. Диффузная подпитка происходит, когда осадки просачиваются через почву к грунтовым водам, и по определению распределена на больших территориях. Сосредоточенная подпитка происходит, когда вода просачивается из поверхностных источников воды (рек, озер, вади, водно-болотных угодий) или из углублений поверхности земли, и, как правило, становится более доминирующей при засушливости. [2]

Естественная подзарядка

Естественные процессы пополнения грунтовых вод. Изменения, влияющие на уровень грунтовых вод, могут существенно улучшить или ухудшить качество пополнения грунтовых вод в определенном регионе.

Вода пополняется естественным путем за счет дождя и таяния снега и в меньшей степени за счет поверхностных вод (рек и озер). Пополнение может быть несколько затруднено деятельностью человека, включая мощение, развитие или лесозаготовки . Эти действия могут привести к потере верхнего слоя почвы, что приведет к снижению инфильтрации воды, увеличению поверхностного стока и сокращению пополнения. Использование грунтовых вод, особенно для орошения , также может понизить уровень грунтовых вод. Пополнение грунтовых вод является важным процессом для устойчивого управления грунтовыми водами, поскольку объемная скорость, извлекаемая из водоносного слоя в долгосрочной перспективе, должна быть меньше или равна объемной скорости, которая пополняется.

Подпитка может помочь переместить избыток солей, которые накапливаются в корневой зоне, в более глубокие слои почвы или в систему грунтовых вод. Корни деревьев увеличивают насыщение водой грунтовых вод , уменьшая сток воды . [3] Наводнение временно увеличивает проницаемость русла реки (наукоемкость земли) путем перемещения глинистых почв вниз по течению, и это увеличивает подпитку водоносного горизонта. [4]

Водно-болотные угодья

Водно-болотные угодья помогают поддерживать уровень грунтовых вод, гидравлический напор. [5] [6] Это обеспечивает силу для пополнения грунтовых вод и сброса в другие воды. Степень пополнения грунтовых вод водно-болотными угодьями зависит от почвы , растительности , местоположения, отношения периметра к объему и градиента уровня грунтовых вод. [7] [8] Пополнение грунтовых вод происходит через минеральные почвы, встречающиеся в основном аро. [9] Почва под большинством водно-болотных угодий относительно непроницаема. Высокое отношение периметра к объему, например, на небольших водно-болотных угодьях, означает, что площадь поверхности, через которую вода может просачиваться в грунтовые воды, типична для небольших водно-болотных угодий, таких как прерийные выбоины , что может внести значительный вклад в пополнение региональных ресурсов грунтовых вод. [8] Исследователи обнаружили пополнение грунтовых вод до 20% объема водно-болотных угодий за сезон. [8]

Искусственное пополнение грунтовых вод

Стратегии управляемого пополнения водоносного горизонта (MAR) для увеличения доступности пресной воды включают в себя канал русла реки. [10] Предприятие в округе Ориндж, Калифорния, очищает и закачивает 100 миллионов галлонов в день; [11] или 90 миллиардов галлонов в год. [12]

Искусственное пополнение грунтовых вод становится все более важным в Индии, где чрезмерная откачка грунтовых вод фермерами привела к истощению подземных ресурсов. В 2007 году по рекомендации Международного института управления водными ресурсами правительство Индии выделило ₹ 1800 крор (что эквивалентно ₹ 54 млрд или US$ 650 млн в 2023 году) на финансирование проектов пополнения вырытых колодцев (вырытый колодец — это широкий, неглубокий колодец, часто облицованный бетоном) в 100 округах в семи штатах, где вода, хранящаяся в водоносных горизонтах твердых пород, подвергалась чрезмерной эксплуатации. Еще одной экологической проблемой является утилизация отходов через поток воды, например, молочные фермы, промышленные и городские стоки.

Загрязнение в ливневых стоках собирается в отстойниках . Концентрация разлагаемых загрязняющих веществ может ускорить биодеградацию . Однако, где и когда уровень грунтовых вод высок, это влияет на соответствующую конструкцию отстойников , отстойников и дождевых садов .

Подзарядка, направленная на борьбу с депрессией

Если вода равномерно падает на поле таким образом, что полевая вместимость почвы не превышается, то незначительное количество воды просачивается в грунтовые воды . Если вместо этого вода скапливается в низинных областях, тот же объем воды, сконцентрированный на меньшей площади, может превысить полевую вместимость, в результате чего вода просачивается вниз, чтобы пополнить запасы грунтовых вод. Чем больше относительная площадь стока, тем более целенаправленная инфильтрация. Повторяющийся процесс воды, которая относительно равномерно падает на площадь, избирательно стекая в грунтовые воды под поверхностными впадинами, называется пополнением, сосредоточенным на впадинах . Уровень грунтовых вод поднимается под такими впадинами.

Пополнение грунтовых вод, сосредоточенное в понижениях, может быть очень важным в засушливых регионах . Больше дождей могут способствовать поступлению грунтовых вод.

Подпитка грунтовых вод, сосредоточенная в понижениях, также глубоко влияет на перенос загрязняющих веществ в грунтовые воды. Это вызывает большую озабоченность в регионах с карстовыми геологическими образованиями, поскольку вода может в конечном итоге растворить туннели вплоть до водоносных горизонтов или иным образом разобщенных потоков. Эта экстремальная форма предпочтительного потока ускоряет перенос загрязняющих веществ и эрозию таких туннелей . Таким образом, понижения, предназначенные для улавливания стоков воды — до того, как они потекут к уязвимым водным ресурсам — могут со временем соединяться под землей. Кавитация поверхностей выше в туннелях приводит к образованию выбоин или пещер.

Более глубокое запруднение оказывает давление , которое заставляет воду быстрее поступать в почву. Более быстрый поток вытесняет загрязняющие вещества, которые в противном случае адсорбировались на почве, и переносит их. Это может переносить загрязнения непосредственно к поднятому уровню грунтовых вод ниже и в грунтовые воды. Таким образом, качество воды, собирающейся в инфильтрационных бассейнах, вызывает особую озабоченность.

Методы оценки

Скорость пополнения грунтовых вод трудно количественно оценить. [13] [2] Это связано с тем, что другие связанные процессы, такие как испарение , транспирация (или эвапотранспирация ) и процессы инфильтрации должны быть сначала измерены или оценены для определения баланса. Не существует широко применимого метода, который мог бы напрямую и точно количественно оценить объем дождевой воды, достигающей уровня грунтовых вод. [2]

Наиболее распространенными методами оценки скорости пополнения являются: баланс массы хлорида (CMB); методы физики почвы; экологические и изотопные трассеры; методы колебания уровня грунтовых вод; методы водного баланса (WB) (включая модели грунтовых вод (GMs)); и оценка базисного стока (BF) в реки. [2]

Региональные, континентальные и глобальные оценки пополнения обычно выводятся из глобальных гидрологических моделей . [2]

Физический

Физические методы используют принципы физики почвы для оценки пополнения. Прямые физические методы - это те, которые пытаются фактически измерить объем воды, проходящей ниже корневой зоны. Косвенные физические методы основаны на измерении или оценке физических параметров почвы, которые вместе с физическими принципами почвы могут использоваться для оценки потенциального или фактического пополнения. После месяцев без дождя уровень рек во влажном климате низок и представляет собой исключительно дренированные грунтовые воды. Таким образом, пополнение можно рассчитать из этого базового потока, если площадь водосбора уже известна.

Химический

Химические методы используют присутствие относительно инертных водорастворимых веществ, таких как изотопный индикатор [14] [15] [16] или хлорид [17] , перемещающихся через почву, поскольку происходит глубокий дренаж.

Числовые модели

Пополнение можно оценить с помощью численных методов , используя такие коды , как Hydrologic Evaluation of Landfill Performance , UNSAT-H, SHAW (сокращенная форма Simultaneous Heat and Water Transfer model), WEAP и MIKE SHE . 1D-программа HYDRUS1D доступна онлайн. Коды обычно используют климатические и почвенные данные для получения оценки пополнения и используют уравнение Ричардса в той или иной форме для моделирования потока грунтовых вод в зоне аэрации .

Факторы, влияющие на пополнение подземных вод

Изменение климата

Влияние изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим через его косвенное воздействие на потребность в воде для орошения через увеличение эвапотранспирации . [18] : 5  Во многих частях мира наблюдается снижение запасов грунтовых вод. Это связано с тем, что больше грунтовых вод используется для орошения в сельском хозяйстве, особенно в засушливых районах . [19] : 1091  Часть этого увеличения орошения может быть связана с проблемами нехватки воды , усугубленными воздействием изменения климата на водный цикл . Прямое перераспределение воды в результате деятельности человека, составляющее ~24 000 км 3 в год, примерно вдвое превышает глобальное пополнение грунтовых вод каждый год. [19]

Изменение климата вызывает изменения в круговороте воды , которые, в свою очередь, влияют на грунтовые воды несколькими способами: может произойти снижение запасов грунтовых вод, а также снижение пополнения грунтовых вод и ухудшение качества воды из-за экстремальных погодных явлений. [20] : 558  В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к большему пополнению грунтовых вод. [20] : 582 

Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [20] : 579  Это связано с тем, что научные данные, полученные в результате мониторинга грунтовых вод, все еще отсутствуют, такие как изменения в пространстве и времени, данные по абстракции и «численные представления процессов пополнения грунтовых вод». [20] : 579 

Последствия изменения климата могут по-разному влиять на запасы грунтовых вод: ожидаемые более интенсивные (но менее частые) крупные ливневые дожди могут привести к увеличению пополнения грунтовых вод во многих средах. [18] : 104  Но более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что приведет к снижению инфильтрации в грунтовые воды. [21]

Урбанизация

Дальнейшие последствия пополнения грунтовых вод являются следствием урбанизации . Исследования показывают, что скорость пополнения может быть в десять раз выше [22] в городских районах по сравнению с сельскими регионами . Это объясняется обширными сетями водоснабжения и канализации, поддерживаемыми в городских регионах, в которых сельские районы, вероятно, не будут иметь доступа. Пополнение в сельских районах в значительной степени поддерживается осадками [22] , и это противоположно для городских районов. Дорожные сети и инфраструктура в городах не позволяют поверхностным водам просачиваться в почву, в результате чего большая часть поверхностного стока попадает в ливневые стоки для местного водоснабжения. Поскольку городское развитие продолжает распространяться по различным регионам, скорость пополнения грунтовых вод будет увеличиваться по сравнению с существующими скоростями предыдущего сельского региона. Последствием внезапных притоков в пополнении грунтовых вод являются внезапные наводнения . [23] Экосистеме придется приспосабливаться к повышенному избытку грунтовых вод из-за скорости пополнения грунтовых вод. Кроме того, дорожные сети менее проницаемы по сравнению с почвой, что приводит к более высокому объему поверхностного стока. Таким образом, урбанизация увеличивает скорость пополнения грунтовых вод и снижает инфильтрацию [23] , что приводит к внезапным наводнениям, поскольку местная экосистема приспосабливается к изменениям окружающей среды.

Неблагоприятные факторы

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Freeze, RA; Cherry, JA (1979). Грунтовые воды. Prentice-Hall. ISBN 978-0-13-365312-0. OCLC  643719314.Доступно с: http://hydrogeologistswithoutborders.org/wordpress/1979-english/ Архивировано 06.04.2020 на Wayback Machine
  2. ^ abcdef MacDonald, Alan M; Lark, R Murray; Taylor, Richard G; Abiye, Tamiru; Fallas, Helen C; Favreau, Guillaume; Goni, Ibrahim B; Kebede, Seifu; Scanlon, Bridget; Sorensen, James PR; Tijani, Moshood; Upton, Kirsty A; West, Charles (2021-03-01). "Картографирование подпитки грунтовых вод в Африке по данным наземных наблюдений и последствия для водной безопасности". Environmental Research Letters . 16 (3): 034012. Bibcode : 2021ERL....16c4012M. doi : 10.1088/1748-9326/abd661 . ISSN  1748-9326. S2CID  233941479.Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.
  3. ^ "Городские деревья улучшают инфильтрацию воды". Фишер, Мадлен . Американское общество агрономии. 17 ноября 2008 г. Архивировано из оригинала 2 июня 2013 г. Получено 31 октября 2012 г.
  4. ^ "Крупные наводнения подпитывают водоносные слои". Университет Нового Южного Уэльса. 24 января 2011 г. Получено 31 октября 2012 г.
  5. ^ О'Брайен 1988
  6. ^ Winter, TC (1988). «Концептуальная основа для оценки кумулятивных воздействий на гидрологию неприливных водно-болотных угодий». Environmental Management . 12 (5): 605–620. Bibcode : 1988EnMan..12..605W. doi : 10.1007/BF01867539. S2CID  10248985.
  7. ^ Картер, В.; Новицки, Р. П. (1988). «Некоторые комментарии о связи между грунтовыми водами и водно-болотными угодьями». Экология и управление водно-болотными угодьями . Том 1. Springer. С. 68–86. doi :10.1007/978-1-4684-8378-9_7. ISBN 978-1-4684-8378-9.
  8. ^ abc Weller, MW (1994) [1981]. Пресноводные болота: экология и управление дикой природой (3-е изд.). Издательство Миннесотского университета. ISBN 978-0-8166-8574-5. OCLC  476093538.
  9. ^ Verry, DR (1982). «Водный поток питательных веществ через водораздел верховых торфяников в Миннесоте» (PDF) . Экология . 63 (5): 1456–67 /1938872. Bibcode : 1982Ecol...63.1456V. doi : 10.2307/1938872. JSTOR  1938872.
  10. ^ Организация Объединенных Наций (2022) Доклад Организации Объединенных Наций о состоянии водных ресурсов мира 2022: Подземные воды: делаем невидимое видимым. ЮНЕСКО, ПарижТекст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 3.0 International.
  11. ^ «Система пополнения запасов грунтовых вод (GWRS), округ Ориндж, Калифорния — водные технологии». www.water-technology.net .
  12. ^ «Водный округ округа Ориндж достиг рекордного года пополнения подземных вод». Журнал Smart Water . 19 августа 2024 г.
  13. ^ Рейли, Томас Э.; ЛаБо, Джеймс У.; Хили, Ричард У.; Элли, Уильям М. (2002-06-14). «Поток и хранение в системах грунтовых вод». Science . 296 (5575): 1985–90. Bibcode :2002Sci...296.1985A. doi :10.1126/science.1067123. PMID  12065826. S2CID  39943677.
  14. ^ Гат, Дж. Р. (май 1996 г.). «Изотопы кислорода и водорода в гидрологическом цикле». Annual Review of Earth and Planetary Sciences . 24 (1): 225–262. Bibcode : 1996AREPS..24..225G. doi : 10.1146/annurev.earth.24.1.225. ISSN  0084-6597.
  15. ^ Jasechko, Scott (сентябрь 2019 г.). "Global Isotope Hydrogeology―Review". Reviews of Geophysics . 57 (3): 835–965. Bibcode : 2019RvGeo..57..835J. doi : 10.1029/2018RG000627. ISSN  8755-1209. S2CID  155563380.
  16. ^ Stahl, Mason O.; Gehring, Jaclyn; Jameel, Yusuf (2020-07-30). «Изотопные вариации в грунтовых водах на всей территории Соединенных Штатов — взгляд на гидрологические процессы». Гидрологические процессы . 34 (16): 3506–3523. Bibcode : 2020HyPr...34.3506S. doi : 10.1002/hyp.13832. ISSN  0885-6087. S2CID  219743798.
  17. ^ Эллисон, ГБ; Хьюз, МВ (1978). «Использование хлорида и трития в окружающей среде для оценки общего пополнения неограниченного водоносного горизонта». Австралийский журнал исследований почв . 16 (2): 181–195. doi :10.1071/SR9780181.
  18. ^ ab Организация Объединенных Наций (2022) Доклад Организации Объединенных Наций о состоянии водных ресурсов мира 2022: Подземные воды: делаем невидимое видимым. ЮНЕСКО, ПарижТекст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 3.0 International.
  19. ^ аб Дувиль, Х.; Рагхаван, К.; Ренвик, Дж.; Аллан, РП; Ариас, Пенсильвания; Барлоу, М.; Сересо-Мота, Р.; Черчи, А.; Ган, Тайвань; Гергис, Дж.; Цзян, Д.; Хан, А.; Покам Мба, В.; Розенфельд, Д.; Тирни, Дж.; Золина, О. (2021). «8 изменений водного цикла» (PDF) . В Массон-Дельмотт, В.; Чжай, П.; Пирани, А.; Коннорс, СЛ; Пеан, К.; Бергер, С.; Кауд, Н.; Чен, Ю.; Гольдфарб, Л.; Гомис, Мичиган; Хуанг, М.; Лейтцелл, К.; Лонной, Э.; Мэтьюз, JBR; Мэйкок, ТК; Уотерфилд, Т.; Yelekçi, O.; Yu, R.; Zhou, B. (ред.). Изменение климата 2021: Физическая научная основа. Вклад Рабочей группы I в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Cambridge University Press. стр. 1055–1210. doi :10.1017/9781009157896.010. ISBN 978-1-009-15789-6.
  20. ^ abcd Каретта, Массачусетс; Мухерджи, А.; Арфануззаман, М.; Беттс, РА; Гелфан А.; Хирабаяши, Ю.; Лисснер, ТК; Лю, Дж.; Лопес Ганн, Э.; Морган, Р.; Мванга, С.; Супратид, С. (2022). «4. Вода» (PDF) . В Пёртнере, Х.-О.; Робертс, округ Колумбия; Тиньор, М.; Полочанска, ЕС; Минтенбек, К.; Алегрия, А.; Крейг, М.; Лангсдорф, С.; Лёшке, С.; Мёллер, В.; Окем, А.; Рама, Б. (ред.). Изменение климата 2022: последствия, адаптация и уязвимость. Вклад Рабочей группы II в Шестой оценочный доклад Межправительственной группы экспертов по изменению климата. Cambridge University Press. С. 551–712. doi :10.1017/9781009325844.006. ISBN 978-1-009-32584-4.
  21. ^ IAH (2019). «Адаптация к изменению климата и грунтовые воды» (PDF) . Серия стратегических обзоров.
  22. ^ ab "Истощение подземных вод". Школа водных наук USGS . Геологическая служба США. 2016-12-09.
  23. ^ ab "Влияние городского развития на наводнения". pubs.usgs.gov . Получено 22.03.2019 .