Пополнение подземных вод , глубокий дренаж или глубокая просачивание — это гидрологический процесс, при котором вода движется вниз от поверхностных вод к грунтовым . Пополнение 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 движение воды от уровня грунтовых вод дальше в зону насыщения. [1] 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. [2]
Пополнение подземных вод может происходить посредством диффузных или целенаправленных механизмов. Диффузное пополнение происходит, когда осадки проникают через почву к уровню грунтовых вод и по определению распределяются на больших площадях. Целенаправленное пополнение происходит там, где вода просачивается из поверхностных источников воды (рек, озер, вади, водно-болотных угодий) или впадин на поверхности земли, и, как правило, становится более доминирующей по мере засушливости. [2]
Вода пополняется естественным путем за счет дождей и таяния снегов и в меньшей степени за счет поверхностных вод (рек и озер). Перезарядке может в некоторой степени препятствовать деятельность человека, включая мощение, застройку или лесозаготовку . Эти действия могут привести к потере верхнего слоя почвы , что приведет к снижению инфильтрации воды, увеличению поверхностного стока и уменьшению пополнения запасов. Использование грунтовых вод, особенно для орошения , также может снизить уровень грунтовых вод. Пополнение подземных вод является важным процессом для устойчивого управления подземными водами, поскольку объемная скорость, забираемая из водоносного горизонта в долгосрочной перспективе, должна быть меньше или равна объемной скорости пополнения подземных вод.
Подпитка может помочь переместить излишки солей, которые накапливаются в корневой зоне, в более глубокие слои почвы или в систему грунтовых вод. Корни деревьев увеличивают водонасыщение грунтовых вод , уменьшая сток воды . [3] Наводнение временно увеличивает проницаемость русла реки (проницаемость земли) за счет перемещения глинистых почв вниз по течению, и это увеличивает пополнение водоносного горизонта. [4]
Водно-болотные угодья помогают поддерживать уровень грунтовых вод на гидравлическом напоре. [5] [6] Это обеспечивает силу для пополнения и сброса подземных вод в другие воды. Степень пополнения подземных вод водно-болотным угодьем зависит от почвы , растительности , участка, соотношения периметра к объему и градиента уровня грунтовых вод. [7] [8] Пополнение подземных вод происходит через минеральные почвы, встречающиеся в основном в аро. [9] Почва под большинством водно-болотных угодий относительно непроницаема. Высокое соотношение периметра к объему, например, на небольших водно-болотных угодьях, означает, что площадь поверхности, через которую вода может проникать в грунтовые воды, типичная для небольших водно-болотных угодий, таких как выбоины в прериях , что может внести значительный вклад в пополнение региональных ресурсов подземных вод. [8] Исследователи обнаружили пополнение грунтовых вод до 20% объема водно-болотных угодий за сезон. [8]
Стратегии управляемого пополнения водоносных горизонтов (MAR) для увеличения доступности пресной воды включают русла рек. канал [10]
Искусственное пополнение подземных вод становится все более важным в Индии, где чрезмерная откачка грунтовых вод фермерами привела к истощению подземных ресурсов. В 2007 году по рекомендациям Международного института управления водными ресурсами правительство Индии выделило 1800 крор фунтов стерлингов (что эквивалентно 54 миллиардам фунтов стерлингов или 650 миллионам долларов США в 2023 году) на финансирование проектов пополнения запасов вырытых колодцев (выкопанный колодец представляет собой широкий неглубокий колодец). ну, часто облицованы бетоном) в 100 районах семи штатов, где вода, хранящаяся в водоносных горизонтах твердых пород, подвергалась чрезмерной эксплуатации. Еще одной экологической проблемой является утилизация отходов через водные потоки, такие как молочные фермы, промышленные и городские стоки.
Загрязнения в ливневых стоках собираются в накопительных бассейнах . Концентрация разлагаемых загрязнителей может ускорить биоразложение . Однако там, где и когда уровень грунтовых вод высок, это влияет на правильное проектирование прудов-отстойников , прудов-отстойников и дождевых садов .
Если вода падает равномерно по полю так, что полевая емкость почвы не превышается, то в грунтовые воды просачивается незначительное количество воды . Если вместо этого вода скапливается в низменных районах, тот же объем воды, сконцентрированный на меньшей площади, может превысить емкость поля, в результате чего вода будет просачиваться вниз для пополнения запасов грунтовых вод. Чем больше относительная площадь стока, тем более целенаправленная инфильтрация. Повторяющийся процесс, когда вода выпадает относительно равномерно по территории и избирательно течет в грунтовые воды под поверхностными впадинами, представляет собой пополнение, ориентированное на впадины . Уровень грунтовых вод поднимается под такими впадинами.
Пополнение грунтовых вод, ориентированное на депрессию, может иметь очень важное значение в засушливых регионах . Увеличение количества дождей способно способствовать поступлению подземных вод.
Пополнение подземных вод, ориентированное на депрессию, также оказывает глубокое влияние на перенос загрязняющих веществ в подземные воды. Это вызывает серьезную озабоченность в регионах с карстовыми геологическими образованиями, поскольку вода может в конечном итоге растворить туннели вплоть до водоносных горизонтов или иным образом отключенных ручьев. Эта крайняя форма преимущественного потока ускоряет перенос загрязняющих веществ и эрозию таких туннелей . Таким образом, впадины, предназначенные для улавливания сточных вод, прежде чем они попадут в уязвимые водные ресурсы, со временем могут соединиться с землей. Кавитация поверхностей выше туннелей приводит к образованию выбоин или пещер.
Более глубокий пруд оказывает давление , которое заставляет воду быстрее проникать в землю. Более быстрый поток вымывает загрязнения, которые в противном случае адсорбировались бы на почве, и уносит их с собой. Это может привести к переносу загрязнения непосредственно в приподнятый уровень грунтовых вод ниже и в грунтовые воды . Таким образом, качество воды, скапливающейся в инфильтрационных бассейнах , вызывает особую озабоченность.
Скорость пополнения подземных вод трудно определить количественно. [11] [2] Это связано с тем, что другие связанные процессы, такие как испарение , транспирация (или суммарное испарение ) и процессы инфильтрации , должны сначала быть измерены или оценены для определения баланса. Не существует широко применимого метода, позволяющего напрямую и точно определить объем дождевой воды, достигающей уровня грунтовых вод. [2]
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. [2]
Региональные, континентальные и глобальные оценки пополнения запасов обычно получают на основе глобальных гидрологических моделей . [2]
Физические методы используют принципы физики почвы для оценки питания. 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, наряду с физическими принципами почвы, могут использоваться для оценки потенциального или фактического пополнения запасов. После нескольких месяцев без дождей уровень рек в условиях влажного климата низкий и представляет собой исключительно дренированные грунтовые воды. Таким образом, пополнение может быть рассчитано на основе этого базового стока, если площадь водосбора уже известна.
Химические методы используют присутствие относительно инертных водорастворимых веществ, таких как изотопный индикатор [12] [13] [14] или хлорид [15] , перемещающихся через почву, поскольку происходит глубокий дренаж.
Пополнения можно оценить с помощью численных методов , используя такие коды , как Hydrologic Evaluation of Landfill Performance , UNSAT-H, SHAW (краткая форма модели одновременного переноса тепла и воды), WEAP и MIKE SHE . 1D-программа HYDRUS1D доступна онлайн. Коды обычно используют данные о климате и почве для получения оценки пополнения запасов и используют в той или иной форме уравнение Ричардса для моделирования потока подземных вод в вадозной зоне .
Воздействие изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим из-за его косвенного воздействия на спрос на воду для орошения за счет увеличения суммарного испарения . [16] : 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 . [17] : 1091 Частично это увеличение количества ирригации 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. [17]
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. [18] : 558 В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к усилению пополнения подземных вод. [18] : 582
Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [18] : 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». [18] : 579
Последствия изменения климата могут иметь различное воздействие на запасы подземных вод: ожидаемое более интенсивное (но меньшее количество) крупных осадков может привести к увеличению пополнения запасов подземных вод во многих средах. [16] : 104 Однако более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что уменьшит проникновение в грунтовые воды. [19]Дальнейшие последствия пополнения подземных вод являются следствием урбанизации . Исследования показывают, что скорость пополнения счета может быть в десять раз выше [20] в городских районах по сравнению с сельскими регионами . Это объясняется наличием обширных сетей водоснабжения и канализации, поддерживаемых в городских регионах, куда сельские районы вряд ли смогут получить воду. Пополнение запасов в сельской местности в значительной степени поддерживается за счет осадков [20] , в отличие от городских территорий. Дорожные сети и инфраструктура в городах препятствуют просачиванию поверхностных вод в почву, в результате чего большая часть поверхностных стоков попадает в ливневые стоки для местного водоснабжения. Поскольку городское развитие продолжает распространяться по различным регионам, темпы пополнения подземных вод будут увеличиваться по сравнению с существующими темпами в предыдущем сельском регионе. Последствием внезапного притока в пополнение подземных вод являются внезапные наводнения . [21] Экосистеме придется приспосабливаться к повышенному избытку подземных вод из-за скорости пополнения подземных вод. Кроме того, дорожные сети менее проницаемы по сравнению с почвой, что приводит к увеличению количества поверхностного стока. Таким образом, урбанизация увеличивает скорость пополнения подземных вод и уменьшает инфильтрацию, [21] что приводит к внезапным паводкам, поскольку местная экосистема приспосабливается к изменениям в окружающей среде.