Грунтовые воды – это вода , присутствующая под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы , а также в трещинах горных пород . Около 30 процентов всей доступной пресной воды в мире составляют грунтовые воды. [1] Единица горной породы или рыхлое месторождение называется водоносным горизонтом , если она может дать полезное количество воды. Глубина, на которой поры почвы или трещины и пустоты в породе полностью насыщаются водой, называется уровнем грунтовых вод . Подземные воды пополняются с поверхности; он может естественным образом вытекать с поверхности из источников и выходов , а также образовывать оазисы или водно-болотные угодья . Грунтовые воды также часто извлекаются для сельскохозяйственных , муниципальных и промышленных целей путем строительства и эксплуатации добывающих скважин . Изучением распределения и движения подземных вод занимается гидрогеология , называемая также гидрологией подземных вод .
Обычно под грунтовыми водами понимают воду, текущую через неглубокие водоносные горизонты , но в техническом смысле они также могут содержать почвенную влагу , вечную мерзлоту (мерзлый грунт), неподвижную воду в коренных породах с очень низкой проницаемостью и глубокие геотермальные или нефтяные пластовые воды. Предполагается, что подземные воды обеспечивают смазку , которая может повлиять на движение разломов . Вполне вероятно, что большая часть недр Земли содержит некоторое количество воды, которая в некоторых случаях может быть смешана с другими жидкостями.
Подземные воды зачастую дешевле, удобнее и менее уязвимы к загрязнению , чем поверхностные воды . Поэтому его обычно используют для общественного водоснабжения. Например, подземные воды являются крупнейшим источником хранения полезной воды в Соединенных Штатах , а Калифорния ежегодно забирает наибольшее количество подземных вод среди всех штатов. [2] Подземные резервуары содержат гораздо больше воды, чем вместимость всех поверхностных резервуаров и озер в США, включая Великие озера . Многие муниципальные системы водоснабжения получают исключительно из подземных вод. [3] Более 2 миллиардов человек во всем мире полагаются на него как на основной источник воды. [4]
Использование человеком подземных вод вызывает экологические проблемы. Например, загрязненные грунтовые воды менее заметны и их труднее очистить, чем загрязнения рек и озер. Загрязнение подземных вод чаще всего является результатом неправильной утилизации отходов на суше. Основные источники включают промышленные и бытовые химикаты и свалки мусора , чрезмерное количество удобрений и пестицидов, используемых в сельском хозяйстве, отстойники промышленных отходов, хвостохранилища и технологические сточные воды шахт, промышленный гидроразрыв пласта, рассоловые ямы нефтяных месторождений, протекающие подземные резервуары для хранения нефти и трубопроводы, осадки сточных вод и септики. системы . Кроме того, грунтовые воды подвержены проникновению соленой воды в прибрежные районы и могут вызвать проседание земель при неустойчивом извлечении, что приводит к затоплению городов (таких как Бангкок ) и потере высоты (например, потеря нескольких метров в Центральной долине Калифорнии ). Эти проблемы усложняются повышением уровня моря и другими последствиями изменения климата , особенно на круговорот воды . Наклон оси Земли сместился на 31 дюйм из-за откачки грунтовых вод человеком. [5] [6] [7]
Подземные воды — это пресные воды, находящиеся в подземном поровом пространстве почвы и горных пород . Это также вода, текущая в водоносных горизонтах ниже уровня грунтовых вод . Иногда полезно проводить различие между грунтовыми водами, которые тесно связаны с поверхностными водами , и глубокими грунтовыми водами в водоносном горизонте (называемыми « ископаемой водой », если они проникли в землю тысячелетия назад [8] ).
Подземные воды можно рассматривать в тех же терминах, что и поверхностные воды : входы, выходы и хранение. Естественным источником поступления в грунтовые воды является просачивание из поверхностных вод. Естественными выходами подземных вод являются источники и просачивание в океаны. Из-за медленной скорости оборота запасы подземных вод обычно намного больше (по объему) по сравнению с входными ресурсами, чем поверхностные воды. Эта разница позволяет людям использовать нерациональное использование подземных вод в течение длительного времени без серьезных последствий. Тем не менее, в долгосрочной перспективе средняя скорость просачивания над источником подземных вод является верхней границей среднего потребления воды из этого источника.
Грунтовые воды естественным образом пополняются поверхностными водами из осадков , ручьев и рек , когда это пополнение достигает уровня грунтовых вод. [9]
Грунтовые воды могут быть долгосрочным « резервуаром » естественного круговорота воды (со временем пребывания от нескольких дней до тысячелетий) [10] [11] в отличие от краткосрочных резервуаров воды, таких как атмосфера и пресные поверхностные воды (которые имеют местопребывание в раз от минут до лет). Глубокие грунтовые воды (которые находятся довольно далеко от поверхностного питания) могут занять очень много времени, чтобы завершить свой естественный цикл.
Большой Артезианский бассейн в центральной и восточной Австралии является одной из крупнейших замкнутых систем водоносных горизонтов в мире, ее площадь составляет почти 2 миллиона км 2 . Анализируя микроэлементы в воде, добываемой глубоко под землей, гидрогеологи смогли определить, что возраст воды, извлеченной из этих водоносных горизонтов, может превышать 1 миллион лет.
Сравнивая возраст подземных вод, полученных из разных частей Большого Артезианского бассейна, гидрогеологи обнаружили, что его возраст увеличивается по всему бассейну. Там, где вода пополняет водоносные горизонты вдоль Восточного водораздела , возраст еще молод. По мере того как подземные воды текут на запад через континент, их возраст увеличивается, при этом самые старые подземные воды встречаются в западных частях. Это означает, что для того, чтобы пройти почти 1000 км от источника подпитки за 1 миллион лет, грунтовые воды, текущие через Большой Артезианский бассейн, проходят со средней скоростью около 1 метра в год.
Пополнение подземных вод , глубокий дренаж или глубокая просачивание — это гидрологический процесс, при котором вода движется вниз от поверхностных вод к грунтовым. Пополнение запасов является основным методом поступления воды в водоносный горизонт . Этот процесс обычно происходит в вадозной зоне ниже корней растений и часто выражается в виде притока к поверхности грунтовых вод . Пополнение подземных вод также включает в себя перемещение воды от уровня грунтовых вод дальше в зону насыщения. [12] Пополнение происходит как естественным путем (за счет круговорота воды ), так и за счет антропогенных процессов (т.е. «искусственное пополнение подземных вод»), когда дождевая вода и/или очищенная вода направляются в недра.
Наиболее распространенными методами оценки скорости пополнения являются: баланс массы хлоридов (CMB); методы физики почвы; экологические и изотопные индикаторы; методы изменения уровня грунтовых вод; методы водного баланса (ВБ) (включая модели подземных вод (ГМ)); и оценка базового стока (БФ) рек. [13]Высокая удельная теплоемкость воды и изолирующий эффект почвы и горных пород могут смягчить воздействие климата и поддерживать относительно стабильную температуру грунтовых вод . В некоторых местах, где температура грунтовых вод благодаря этому эффекту поддерживается на уровне около 10 ° C (50 ° F), грунтовые воды можно использовать для контроля температуры внутри конструкций на поверхности. Например, в жаркую погоду относительно прохладные грунтовые воды можно прокачивать через радиаторы дома, а затем возвращать в землю в другом колодце. В холодное время года, поскольку она относительно теплая, воду можно использовать в качестве источника тепла для тепловых насосов , что намного эффективнее, чем использование воздуха.
Подземные воды составляют около тридцати процентов мировых запасов пресной воды , что составляет около 0,76% всей воды в мире, включая океаны и вечный лед. [14] [15] Около 99% пресной воды в мире составляют грунтовые воды. [16] Глобальные запасы подземных вод примерно равны общему количеству пресной воды, хранящейся в снежном и ледяном покрове, включая северный и южный полюса. Это делает его важным ресурсом, который может выступать в качестве естественного хранилища, способного защитить от нехватки поверхностных вод , например, во время засухи . [17]
Объем подземных вод в водоносном горизонте можно оценить путем измерения уровня воды в местных колодцах и изучения геологических данных, полученных в результате бурения скважин, чтобы определить протяженность, глубину и толщину водоносных отложений и горных пород. Прежде чем инвестировать в добывающие скважины, можно пробурить испытательные скважины для измерения глубины, на которой встречается вода, и сбора образцов почвы, горных пород и воды для лабораторных анализов. Нагнетательные испытания могут проводиться в испытательных скважинах для определения характеристик потока водоносного горизонта. [3]
Характеристики водоносных горизонтов варьируются в зависимости от геологии и структуры субстрата и топографии, в которой они встречаются. В целом, более продуктивные водоносные горизонты встречаются в осадочных геологических формациях. Для сравнения, выветрелые и трещиноватые кристаллические породы во многих средах дают меньшие количества подземных вод. К числу наиболее продуктивных источников подземных вод относятся рыхлые и слабосцементированные аллювиальные материалы, накопившиеся в виде долинных отложений в долинах крупных рек и геологически проседающих структурных бассейнах.
Потоки флюидов могут изменяться в различных литологических условиях за счет хрупкой деформации горных пород в зонах разломов ; механизмы, посредством которых это происходит, являются предметом гидрогеологии зоны разломов . [18]
Зависимость от подземных вод будет только возрастать, главным образом из-за растущего спроса на воду во всех секторах экономики в сочетании с увеличением вариаций в характере выпадения осадков . [19]
Подземные воды являются наиболее доступным источником пресной воды во всем мире, в том числе для питья , орошения и производства . Подземные воды составляют около половины питьевой воды в мире, 40% оросительной воды и треть воды для промышленных целей. [16]
Другая оценка показала, что в мире на грунтовые воды приходится около трети всего водозабора , а на поверхностные воды — остальные две трети. [20] : 21 Подземные воды обеспечивают питьевой водой как минимум 50% населения планеты. [21] Около 2,5 миллиардов человек зависят исключительно от ресурсов подземных вод для удовлетворения своих основных ежедневных потребностей в воде. [21]
Аналогичная оценка была опубликована в 2021 году, в которой говорилось, что «подземные воды, по оценкам, обеспечивают от четверти до трети годового мирового забора пресной воды для удовлетворения сельскохозяйственных, промышленных и бытовых потребностей». [22] : 1091
Глобальный забор пресной воды, вероятно, составлял около 600 км 3 в год в 1900 году и увеличился до 3880 км 3 в год в 2017 году. Темпы увеличения были особенно высокими (около 3% в год) в период 1950–1980 годов, отчасти из-за более высокого темпы роста населения и отчасти быстрое увеличение использования подземных вод, особенно для орошения. Темпы роста составляют (по состоянию на 2022 год) примерно 1% в год, что соответствует текущим темпам роста населения. [19] : 15
По оценкам, глобальное истощение подземных вод составляет от 100 до 300 км 3 в год. Это истощение главным образом вызвано «расширением орошаемого земледелия на засушливых землях ». [22] : 1091
Азиатско -Тихоокеанский регион является крупнейшим водозаборником в мире, в него входят семь из десяти стран, добывающих большую часть подземных вод (Бангладеш, Китай, Индия, Индонезия, Иран, Пакистан и Турция). Только на эти страны приходится примерно 60% общего мирового забора подземных вод. [19] : 6
Грунтовые воды могут быть, а могут и не быть безопасным источником воды. Фактически, существует значительная неопределенность в отношении подземных вод в различных гидрогеологических условиях: широкое присутствие таких загрязнителей, как мышьяк , фторид и соленость , может снизить пригодность подземных вод в качестве источника питьевой воды. Мышьяк и фторид считаются приоритетными загрязнителями на глобальном уровне, хотя приоритетные химические вещества будут различаться в зависимости от страны. [21]
Существует большая неоднородность гидрогеологических свойств. По этой причине соленость грунтовых вод часто сильно варьируется в пространстве. Это способствует весьма изменчивым рискам безопасности подземных вод даже в пределах конкретного региона. [21] Соленость грунтовых вод делает воду невкусной и непригодной для использования и часто встречается в прибрежных районах, например, в Бангладеш, а также в Восточной и Западной Африке. [21]
Муниципальное и промышленное водоснабжение осуществляется через большие колодцы. Несколько скважин для одного источника водоснабжения называются «колодцами», которые могут забирать воду из напорных или неограниченных водоносных горизонтов. Использование подземных вод из глубоких замкнутых водоносных горизонтов обеспечивает большую защиту от загрязнения поверхностных вод. Некоторые колодцы, называемые «коллекторными колодцами», специально предназначены для инфильтрации поверхностных (обычно речных) вод.
Водоносные горизонты, которые обеспечивают устойчивые пресные грунтовые воды для городских территорий и для сельскохозяйственного орошения, обычно расположены близко к поверхности земли (в пределах пары сотен метров) и частично пополняются пресной водой. Это пополнение обычно происходит за счет рек или метеорной воды (осадков), которая просачивается в водоносный горизонт через вышележащие ненасыщенные материалы.
В целом на орошение 20% сельскохозяйственных угодий (с различными типами водных источников) приходится производство 40% продукции продовольствия. [23] [24] Методы орошения по всему миру включают каналы, перенаправляющие поверхностные воды, [25] [26] откачку грунтовых вод и отвод воды от плотин. Водоносные горизонты имеют решающее значение в сельском хозяйстве. Глубокие водоносные горизонты в засушливых районах уже давно являются источниками воды для орошения. Большая часть добываемых подземных вод (70%) используется в сельскохозяйственных целях. [27]
В Индии 65% орошения осуществляется из подземных вод [28] и около 90% добываемых подземных вод используется для орошения. [29]
Иногда осадочные или «ископаемые» водоносные горизонты используются для обеспечения ирригационной и питьевой водой городских территорий. В Ливии, например, в рамках проекта Муаммара Каддафи « Великая рукотворная река» большие объемы грунтовых вод были перекачаны из водоносных горизонтов под Сахарой в густонаселенные районы вблизи побережья. [30] Хотя это сэкономило Ливии деньги по сравнению с альтернативой – опреснением воды, водоносные горизонты, вероятно, иссякнут через 60–100 лет. [30] Истощение водоносного горизонта было названо одной из причин роста цен на продовольствие в 2011 году. [31]
Подземные воды обеспечивают критически важное снабжение пресной водой , особенно в засушливых регионах, где доступность поверхностных вод ограничена. [32] Во всем мире более трети используемой воды поступает из-под земли. В засушливых и полузасушливых регионах средних широт, где отсутствует достаточный запас поверхностных вод из рек и водохранилищ, подземные воды имеют решающее значение для поддержания глобальной экологии и удовлетворения социальных потребностей в питьевой воде и производстве продуктов питания. Спрос на подземные воды быстро растет вместе с ростом населения, в то время как изменение климата создает дополнительную нагрузку на водные ресурсы и повышает вероятность возникновения сильной засухи. [32]
Антропогенное воздействие на ресурсы подземных вод обусловлено главным образом выкачиванием подземных вод и косвенным воздействием изменений орошения и землепользования. [32]
Подземные воды играют центральную роль в обеспечении водоснабжения и обеспечении средств к существованию в странах Африки к югу от Сахары. [33] В некоторых случаях подземные воды являются дополнительным источником воды, который ранее не использовался. [34]
Зависимость от подземных вод в странах Африки к югу от Сахары возрастает, поскольку программы развития направлены на улучшение доступа к воде и повышение устойчивости к изменению климата. [35] В районах с низкими доходами источники подземных вод обычно устанавливаются без инфраструктуры или услуг по очистке воды. В основе этой практики лежит предположение, что неочищенные грунтовые воды обычно пригодны для питья из-за относительной микробиологической безопасности грунтовых вод по сравнению с поверхностными водами; однако химические риски в значительной степени игнорируются. [35] Химические загрязнители широко распространены в подземных водах, которые используются для питья, но не контролируются регулярно. Примерами приоритетных параметров являются фторид, мышьяк, нитрат или соленость. [35]Во-первых, схемы смягчения последствий наводнений, предназначенные для защиты инфраструктуры, построенной в поймах рек, привели к непредвиденным последствиям в виде сокращения пополнения водоносных горизонтов , связанного с естественными наводнениями. Во-вторых, длительное истощение подземных вод в обширных водоносных горизонтах может привести к проседанию земель с соответствующим ущербом для инфраструктуры, а также, в-третьих, к проникновению соленой воды . [36] В-четвертых, осушение кислых сульфатных почв, часто встречающихся на низменных прибрежных равнинах, может привести к подкислению и загрязнению бывших пресноводных и устьевых рек. [37]
Подземные воды – очень полезный и часто богатый ресурс. Большинство участков суши на Земле имеют под собой ту или иную форму водоносного горизонта, иногда на значительной глубине. В некоторых случаях эти водоносные горизонты быстро истощаются населением. Такое чрезмерное использование, чрезмерное абстрагирование или овердрафт могут вызвать серьезные проблемы для пользователей и окружающей среды. Наиболее очевидной проблемой (с точки зрения использования человеком подземных вод) является понижение уровня грунтовых вод за пределы досягаемости существующих колодцев. Как следствие, скважины необходимо бурить глубже, чтобы добраться до грунтовых вод; в некоторых местах (например, в Калифорнии , Техасе и Индии ) уровень грунтовых вод упал на сотни футов из-за интенсивной откачки скважин. [39] Спутники GRACE собрали данные, показывающие, что 21 из 37 основных водоносных горизонтов Земли подвергаются истощению. [16] Например, в индийском регионе Пенджаб уровень грунтовых вод упал на 10 метров с 1979 года, и темпы истощения ускоряются. [40] Понижение уровня грунтовых вод может, в свою очередь, вызвать другие проблемы, такие как проседание грунтовых вод и проникновение соленой воды . [41]
Еще одна причина для беспокойства заключается в том, что отбор грунтовых вод из чрезмерно распределенных водоносных горизонтов может нанести серьезный ущерб как наземным, так и водным экосистемам – в некоторых случаях очень заметный, а в других – совершенно незаметный из-за длительного периода, в течение которого происходит ущерб. [36] Важность подземных вод для экосистем часто упускается из виду даже биологами и экологами, занимающимися пресноводными водами. Грунтовые воды поддерживают реки, водно-болотные угодья и озера , а также подземные экосистемы в карстовых или аллювиальных водоносных горизонтах.
Конечно, не все экосистемы нуждаются в подземных водах. Некоторые наземные экосистемы – например, экосистемы открытых пустынь и аналогичных засушливых сред – существуют за счет нерегулярных осадков и влаги, которую они доставляют в почву, дополняемой влагой воздуха. Хотя существуют и другие наземные экосистемы в более благоприятной среде, где грунтовые воды не играют центральной роли, на самом деле грунтовые воды имеют основополагающее значение для многих основных экосистем мира. Вода течет между грунтовыми и поверхностными водами. Большинство рек, озер и водно-болотных угодий питаются и (в других местах и в другое время) питаются грунтовыми водами в разной степени. Грунтовые воды питают почвенную влагу посредством просачивания, и многие наземные растительные сообщества напрямую зависят либо от грунтовых вод, либо от просачивающейся почвенной влаги над водоносным горизонтом, по крайней мере, часть каждого года. Гипорейические зоны (зона смешения речных и грунтовых вод) и прибрежные зоны являются примерами экотонов, в значительной степени или полностью зависящих от грунтовых вод.
Исследование 2021 года показало, что из ~39 миллионов исследованных [ как? ] скважины с грунтовыми водами (6–20%) подвергаются высокому риску высыхания, если местные уровни грунтовых вод снизятся на несколько метров или – как во многих районах и, возможно, более чем в половине основных водоносных горизонтов [42] – продолжат снижаться. [43] [44]
Водоносные горизонты с пресной водой, особенно те, которые ограниченно пополняются за счет снега или дождя, также известные как метеорные воды , могут подвергаться чрезмерной эксплуатации и, в зависимости от местной гидрогеологии , могут поглощать непитьевую воду или вторжение соленой воды из гидравлически связанных водоносных горизонтов или поверхностных вод. тела. Это может стать серьезной проблемой, особенно в прибрежных районах и других районах, где откачка водоносных горизонтов чрезмерна.
Проседание происходит, когда слишком много воды выкачивается из-под земли, выдувая пространство под надземной поверхностью и, таким образом, вызывая обрушение земли. Результат может выглядеть как кратеры на участках земли. Это происходит потому, что в естественном равновесном состоянии гидравлическое давление грунтовых вод в поровых пространствах водоносного горизонта и водохранилища поддерживает часть веса вышележащих отложений. Когда грунтовые воды удаляются из водоносных горизонтов путем чрезмерной откачки, поровое давление в водоносном горизонте падает и может произойти сжатие водоносного горизонта. Это сжатие можно частично восстановить, если давление восстановится, но в значительной степени это не так. Когда водоносный горизонт сжимается, это может вызвать проседание земли, падение поверхности земли. [45]
В рыхлых водоносных горизонтах грунтовые воды образуются из порового пространства между частицами гравия, песка и ила. Если водоносный горизонт ограничен низкопроницаемыми слоями, пониженное давление воды в песке и гравии вызывает медленный дренаж воды из прилегающих водоупорных слоев. Если эти удерживающие слои состоят из сжимаемого ила или глины, потеря воды в водоносном горизонте снижает давление воды в удерживающем слое, заставляя его сжиматься под весом вышележащих геологических материалов. В тяжелых случаях это сжатие может наблюдаться на поверхности земли в виде проседания . К сожалению, большая часть оседания в результате добычи подземных вод носит постоянный характер (упругий отскок невелик). Таким образом, проседание не только является постоянным, но и способность сжатого водоносного горизонта постоянно снижать способность удерживать воду.
Город Новый Орлеан, штат Луизиана, сегодня фактически находится ниже уровня моря, и его опускание частично вызвано удалением грунтовых вод из различных водоносных горизонтов/водопроводных систем под ним. [46] В первой половине 20-го века долина Сан-Хоакин испытала значительное проседание , в некоторых местах до 8,5 метров (28 футов) [47] из-за удаления грунтовых вод. Города в дельтах рек, включая Венецию в Италии, [48] и Бангкок в Таиланде, [49] испытали оседание поверхности; В Мехико, построенном на дне бывшего озера, наблюдается скорость опускания до 40 см (1 фут 3 дюйма) в год. [50]
Для прибрежных городов оседание может увеличить риск возникновения других экологических проблем, таких как повышение уровня моря . [51] Например, ожидается, что к 2070 году в Бангкоке 5,138 миллиона человек будут подвержены прибрежным наводнениям из-за этих совокупных факторов. [51]
Если источник поверхностных вод также подвержен значительному испарению, источник подземных вод может стать засоленным . Такая ситуация может возникнуть естественным путем под бессточными водоемами или искусственно под орошаемыми сельскохозяйственными угодьями. В прибрежных районах использование человеком источников подземных вод может привести к изменению направления просачивания в океан, что также может вызвать засоление почвы .
Когда вода движется по ландшафту, она собирает растворимые соли, в основном хлорид натрия . Там, где такая вода попадает в атмосферу в результате эвапотранспирации , эти соли остаются. В ирригационных районах плохой дренаж почв и поверхностных водоносных горизонтов может привести к выходу уровня грунтовых вод на поверхность в низинных районах. В результате возникают серьезные проблемы деградации земель , связанные с засолением почв и заболачиванием [52] в сочетании с увеличением уровня соли в поверхностных водах. В результате был нанесен серьезный ущерб местной экономике и окружающей среде. [53]
Водоносные горизонты на поверхностных орошаемых территориях в полузасушливых зонах с повторным использованием неизбежных потерь оросительной воды, просачивающихся в подземные слои при дополнительном орошении из колодцев, подвергаются риску засоления . [54]
Вода для поверхностного орошения обычно содержит соли порядка0,5 г/л или более, а ежегодная потребность в орошении составляет порядка10 000 м 3 /га или более, поэтому годовой импорт соли составляет порядка5000 кг/га и более. [55]
Под воздействием непрерывного испарения концентрация солей в воде водоносного горизонта может постоянно увеличиваться и в конечном итоге вызвать экологические проблемы.
Для контроля засоления в таком случае ежегодно необходимо отводить определенное количество дренажных вод из водоносного горизонта посредством системы подземного дренажа и утилизировать через безопасный выпуск. Дренажная система может быть горизонтальной (т.е. с использованием труб, водостоков или канав) или вертикальной ( дренаж колодцами ). Для оценки потребности в дренаже может оказаться полезным использование модели подземных вод с компонентом агро-гидро-засоленности, например, SahysMod .
Водоносные горизонты у побережья имеют линзу пресной воды у поверхности и более плотную морскую воду под пресной водой. Морская вода проникает в водоносный горизонт, диффундируя из океана, и имеет большую плотность, чем пресная вода. Для пористых (т. е. песчаных) водоносных горизонтов вблизи побережья толщина пресной воды над соленой водой составляет около 12 метров (40 футов) на каждые 0,3 м (1 фут) высоты пресной воды над уровнем моря . Это соотношение называется уравнением Гибена-Герцберга . Если вблизи побережья закачивается слишком много грунтовых вод, соленая вода может проникнуть в водоносные горизонты с пресной водой, вызывая загрязнение запасов питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как водоносный горизонт Бискейн возле Майами и водоносный горизонт прибрежной равнины Нью-Джерси, имеют проблемы с проникновением соленой воды в результате перекачки воды и повышения уровня моря.
Вторжение морской воды — это приток или присутствие морской воды в прибрежных водоносных горизонтах; это случай проникновения соленой воды . Это естественное явление, но оно также может быть вызвано или усугублено антропогенными факторами, такими как повышение уровня моря из-за изменения климата . [56] В случае однородных водоносных горизонтов вторжение морской воды образует солевой клин ниже зоны перехода к пресным грунтовым водам, текущим в сторону моря сверху. [57] [58] Эти изменения могут иметь и другие последствия для земель над грунтовыми водами. Например, уровень прибрежных грунтовых вод в Калифорнии поднимется во многих водоносных горизонтах, что повысит риск наводнений и проблем со стоком . [56]
Повышение уровня моря приводит к смешиванию морской воды с прибрежными грунтовыми водами, что делает их непригодными для использования, когда они составляют более 2-3% объема водоема. По оценкам, вдоль 15% береговой линии США большинство местных уровней грунтовых вод уже находятся ниже уровня моря. [59]
Загрязнение подземных вод (также называемое загрязнением подземных вод) происходит, когда загрязняющие вещества выбрасываются на землю и попадают в грунтовые воды. Этот тип загрязнения воды также может возникать естественным путем из-за присутствия незначительных и нежелательных компонентов, загрязнителей или примесей в грунтовых водах, и в этом случае его скорее называют загрязнением , а не загрязнением . Загрязнение подземных вод может происходить из-за местных канализационных систем, фильтрата свалок , сточных вод очистных сооружений , протекающих сточных вод, автозаправочных станций , гидравлического разрыва пласта (разрыва пласта) или чрезмерного применения удобрений в сельском хозяйстве . Загрязнение (или контаминация) также может происходить из-за примесей природного происхождения, таких как мышьяк или фторид . [60] Использование загрязненных подземных вод создает опасность для здоровья населения из-за отравлений или распространения болезней ( болезней, передающихся через воду ).
Загрязнитель часто образует шлейф загрязнения внутри водоносного горизонта . Движение воды и дисперсия внутри водоносного горизонта распространяют загрязняющее вещество на более широкую территорию. Его выступающая граница, часто называемая краем шлейфа, может пересекаться с колодцами с грунтовыми водами и поверхностными водами, такими как просачивания и родники, что делает запасы воды небезопасными для людей и дикой природы. Движение шлейфа, называемое фронтом шлейфа, можно проанализировать с помощью модели гидрологического переноса или модели подземных вод . Анализ загрязнения подземных вод может быть сосредоточен на характеристиках почвы и геологии местности , гидрогеологии , гидрологии и природе загрязняющих веществ. На перенос загрязняющих веществ влияют различные механизмы, например, диффузия , адсорбция , осаждение , распад в грунтовых водах.Воздействие изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим из-за его косвенного воздействия на спрос на оросительную воду за счет увеличения суммарного испарения . [19] : 5 Во многих частях мира наблюдается сокращение запасов подземных вод. Это связано с тем, что больше грунтовых вод используется для ирригационной деятельности в сельском хозяйстве, особенно в засушливых районах . [22] : 1091 Частично это увеличение орошения может быть связано с проблемой нехватки воды, которая усугубляется воздействием изменения климата на круговорот воды . Прямое перераспределение воды в результате деятельности человека, составляющее ~24 000 км 3 в год, примерно вдвое превышает ежегодное глобальное пополнение подземных вод. [22]
Изменение климата вызывает изменения в водном цикле , которые, в свою очередь, влияют на подземные воды несколькими способами: может произойти сокращение запасов подземных вод, сокращение пополнения запасов подземных вод и ухудшение качества воды из-за экстремальных погодных явлений. [61] : 558 В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к увеличению пополнения подземных вод. [61] : 582
Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [61] : 579 Это связано с тем, что научные данные, полученные в результате мониторинга подземных вод, до сих пор отсутствуют, такие как изменения в пространстве и времени, данные по забору воды и «числовые представления процессов пополнения подземных вод». [61] : 579
Последствия изменения климата могут иметь различные последствия для хранения подземных вод: ожидаемое более интенсивное (но меньшее количество) крупных осадков может привести к увеличению пополнения подземных вод во многих средах. [19] : 104 Однако более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что уменьшит проникновение в грунтовые воды. [62]
В высокогорных регионах сокращение продолжительности и количества снега может привести к уменьшению пополнения грунтовых вод весной. [61] : 582 Воздействие отступающих альпийских ледников на системы подземных вод недостаточно изучено. [19] : 106
Повышение глобального уровня моря из-за изменения климата привело к проникновению морской воды в прибрежные водоносные горизонты по всему миру, особенно в низменных районах и на небольших островах. [61] : 611 Однако основной причиной проникновения морской воды обычно является забор подземных вод, а не повышение уровня моря (см. раздел, посвященный проникновению морской воды). [19] : 5 Вторжение морской воды угрожает прибрежным экосистемам и устойчивости средств к существованию. Бангладеш является уязвимой страной в этом вопросе, а мангровые леса Сундарбанса являются уязвимой экосистемой. [61] : 611
Загрязнение подземных вод также может косвенно увеличиться из-за изменения климата: более частые и интенсивные штормы могут загрязнять подземные воды, мобилизуя загрязняющие вещества, например, удобрения, сточные воды или человеческие экскременты из выгребных ям. [61] : 611 Засухи снижают способность рек разбавлять воду и уровень грунтовых вод, увеличивая риск загрязнения грунтовых вод.
Системы водоносных горизонтов, уязвимые к изменению климата, включают следующие примеры (первые четыре в значительной степени независимы от забора воды человеком, в отличие от примеров 5–8, где интенсивность забора подземных вод человеком играет ключевую роль в усилении уязвимости к изменению климата): [19 ] : 109
Использование большего количества грунтовых вод, особенно в странах Африки к югу от Сахары, рассматривается как метод адаптации к изменению климата в случае, если изменение климата вызывает более интенсивные или частые засухи. [63]
Адаптация к изменению климата, основанная на подземных водах, использует распределенные запасы подземных вод и способность систем водоносных горизонтов хранить сезонные или эпизодические излишки воды. [19] : 5 Они несут существенно меньшие потери от испарения, чем традиционная инфраструктура, такая как наземные плотины. Например, в тропической Африке откачка воды из хранилищ подземных вод может помочь улучшить климатическую устойчивость запасов воды и продовольствия. [19] : 110
Развитие геотермальной энергии , устойчивого источника энергии , играет важную роль в сокращении выбросов CO 2 и, таким образом, смягчении последствий изменения климата . [19] : 5 Подземные воды играют роль в хранении, перемещении и добыче геотермальной энергии. [19] : 110
В странах-первопроходцах, таких как Нидерланды и Швеция, грунт/грунтовые воды все чаще рассматриваются как всего лишь один компонент (сезонный источник, сток или тепловой «буфер») в сетях централизованного теплоснабжения и охлаждения. [19] : 113
Глубокие водоносные горизонты также могут использоваться для улавливания и секвестрации углерода — процесса хранения углерода с целью сдерживания накопления углекислого газа в атмосфере. [19] : 5
Процессы управления подземными водами обеспечивают управление, планирование и реализацию политики подземных вод. Это происходит в различных масштабах и на географических уровнях, включая региональный и трансграничный масштабы. [19] : 2
Управление подземными водами ориентировано на действия и сосредоточено на практической реализации и повседневной деятельности. Поскольку подземные воды часто воспринимаются как частный ресурс (то есть тесно связанный с собственностью на землю, а в некоторых юрисдикциях рассматриваются как частный ресурс), регулирование и управление сверху вниз затруднены. Правительствам необходимо полностью взять на себя свою роль хранителей ресурсов с учетом аспектов общего блага, связанных с подземными водами. [19] : 2
Внутренние законы и правила регулируют доступ к подземным водам, а также деятельность человека, влияющую на качество подземных вод. Правовые рамки также должны включать защиту зон сброса и пополнения запасов, а также территории, окружающей водозаборные скважины, а также нормы устойчивой добычи и контроля за забором воды, а также правила совместного использования. В некоторых юрисдикциях подземные воды регулируются совместно с поверхностными водами, включая реки. [19] : 2
Подземные воды являются важным водным ресурсом для снабжения питьевой водой , особенно в засушливых странах.
Арабский регион является одним из наиболее испытывающих дефицит воды в мире, а подземные воды являются наиболее зависимым источником воды, по крайней мере, в 11 из 22 арабских государств. Чрезмерная добыча подземных вод во многих частях региона привела к снижению уровня грунтовых вод, особенно в густонаселенных и сельскохозяйственных районах. [19] : 7
{{citation}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )