Подземные воды — это вода, находящаяся под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы , а также в трещинах скальных образований . Около 30 процентов всей легкодоступной пресной воды в мире — это подземные воды. [1] Единица горной породы или неконсолидированное месторождение называется водоносным горизонтом , когда оно может давать пригодное для использования количество воды. Глубина, на которой поры почвы или трещины и пустоты в горной породе полностью насыщаются водой, называется уровнем грунтовых вод . Подземные воды пополняются с поверхности; они могут естественным образом выходить с поверхности в виде источников и просачиваний и могут образовывать оазисы или водно-болотные угодья . Подземные воды также часто извлекаются для сельскохозяйственных , муниципальных и промышленных нужд путем строительства и эксплуатации скважин для добычи . Изучением распределения и движения подземных вод занимается гидрогеология , также называемая гидрологией подземных вод .
Обычно грунтовые воды рассматриваются как вода, текущая через неглубокие водоносные горизонты, но, в техническом смысле, они также могут содержать почвенную влагу , вечную мерзлоту (замерзшую почву), неподвижную воду в очень низкой проницаемости коренных пород и глубокую геотермальную или нефтяную пластовую воду. Предполагается, что грунтовые воды обеспечивают смазку , которая может влиять на движение разломов . Вероятно, что большая часть недр Земли содержит некоторое количество воды, которая может быть смешана с другими жидкостями в некоторых случаях.
Подземные воды часто дешевле, удобнее и менее подвержены загрязнению , чем поверхностные воды . Поэтому они обычно используются для общественного питьевого водоснабжения. Например, подземные воды являются крупнейшим источником пригодной для использования воды в Соединенных Штатах , а Калифорния ежегодно забирает наибольшее количество подземных вод из всех штатов. [2] Подземные водохранилища содержат гораздо больше воды, чем вместимость всех поверхностных водохранилищ и озер в США, включая Великие озера . Многие муниципальные системы водоснабжения получают воду исключительно из подземных вод. [3] Более 2 миллиардов человек полагаются на них как на основной источник воды во всем мире. [4]
Использование человеком грунтовых вод вызывает экологические проблемы. Например, загрязненные грунтовые воды менее заметны и их сложнее очистить, чем загрязнение в реках и озерах. Загрязнение грунтовых вод чаще всего возникает из-за неправильной утилизации отходов на суше. Основными источниками являются промышленные и бытовые химикаты и мусорные свалки , избыточные удобрения и пестициды, используемые в сельском хозяйстве, промышленные отстойники, хвосты и технологические сточные воды из шахт, промышленный фрекинг , нефтяные карьеры с рассолом, протекающие подземные резервуары для хранения нефти и трубопроводы, канализационный ил и септические системы . Кроме того, грунтовые воды подвержены вторжению соленой воды в прибрежных районах и могут вызывать проседание земли при неустойчивой добыче, что приводит к затоплению городов (например, Бангкока ) и потере высоты (например, несколько метров, потерянных в Центральной долине Калифорнии ). Эти проблемы усложняются повышением уровня моря и другими последствиями изменения климата , особенно на круговорот воды в природе . Осевой наклон Земли сместился на 31 дюйм из-за откачки грунтовых вод человеком. [5] [6] [7]
Грунтовые воды — это пресная вода, находящаяся в подповерхностном поровом пространстве почвы и горных пород . Это также вода, которая течет 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 просочились в землю тысячелетия назад [8] ).
Подземные воды можно рассматривать в тех же терминах, что и поверхностные воды : входы, выходы и хранение. Естественным входом в подземные воды является просачивание из поверхностных вод. Естественным выходом из подземных вод являются родники и просачивание в океаны. Из-за медленной скорости оборота запасы подземных вод, как правило, намного больше (по объему) по сравнению с входами, чем для поверхностных вод. Эта разница позволяет людям легко использовать подземные воды неустойчиво 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.
Подземные воды естественным образом пополняются поверхностными водами из осадков , ручьев и рек , когда это пополнение достигает уровня грунтовых вод. [9]
Подземные воды могут быть долгосрочным « резервуаром » естественного водного цикла (со временем пребывания от дней до тысячелетий), [10] [11] в отличие от краткосрочных водных резервуаров, таких как атмосфера и пресная поверхностная вода (которые имеют время пребывания от минут до лет). Глубокие подземные воды (которые довольно далеки от поверхностного пополнения) могут занять очень много времени, чтобы завершить свой естественный цикл.
Большой артезианский бассейн в центральной и восточной Австралии является одной из крупнейших замкнутых водоносных систем в мире, простирающейся почти на 2 миллиона км 2 . Анализируя микроэлементы в воде, добываемой из глубоких недр земли, гидрогеологи смогли определить, что возраст воды, добываемой из этих водоносных горизонтов, может превышать 1 миллион лет.
Сравнивая возраст грунтовых вод, полученных из разных частей Большого Артезианского бассейна, гидрогеологи обнаружили, что он увеличивается по всему бассейну. Там, где вода пополняет водоносные горизонты вдоль Восточного водораздела , возраст молодой. По мере того, как грунтовые воды текут на запад через континент, их возраст увеличивается, причем самые старые грунтовые воды встречаются в западных частях. Это означает, что для того, чтобы пройти почти 1000 км от источника пополнения за 1 миллион лет, грунтовые воды, протекающие через Большой Артезианский бассейн, перемещаются со средней скоростью около 1 метра в год.
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. [12] 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. [13]
Высокая удельная теплоемкость воды и изолирующий эффект почвы и горных пород могут смягчить воздействие климата и поддерживать грунтовые воды при относительно постоянной температуре . В некоторых местах, где температура грунтовых вод поддерживается этим эффектом на уровне около 10 °C (50 °F), грунтовые воды могут использоваться для регулирования температуры внутри сооружений на поверхности. Например, в жаркую погоду относительно прохладные грунтовые воды можно прокачивать через радиаторы в доме, а затем возвращать в землю через другой колодец. В холодное время года, поскольку они относительно теплые, воду можно использовать таким же образом, как источник 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% от всех мировых запасов воды, включая океаны и вечные льды. [14] [15] Около 99% жидкой пресной воды в мире составляют подземные воды. [16] Глобальные запасы подземных вод примерно равны общему количеству пресной воды, хранящейся в снеге и льду, включая Северный и Южный полюса. Это делает их важным ресурсом, который может выступать в качестве естественного хранилища, способного компенсировать нехватку поверхностных вод , например, во время засухи . [17]
Объем грунтовых вод в водоносном горизонте можно оценить, измерив уровень воды в местных скважинах и изучив геологические записи бурения скважин, чтобы определить протяженность, глубину и толщину водоносных отложений и пород. Перед тем, как вкладывать средства в эксплуатационные скважины, можно пробурить контрольные скважины, чтобы измерить глубину, на которой встречается вода, и собрать образцы почв, горных пород и воды для лабораторных анализов. В контрольных скважинах можно провести испытания на откачку, чтобы определить характеристики потока водоносного горизонта. [3]
Характеристики водоносных горизонтов различаются в зависимости от геологии и структуры субстрата и рельефа, в котором они встречаются. В целом, более продуктивные водоносные горизонты встречаются в осадочных геологических формациях. Для сравнения, выветренные и трещиноватые кристаллические породы дают меньшие количества грунтовых вод во многих средах. Неконсолидированные или плохо сцементированные аллювиальные материалы, которые накапливались в виде заполняющих долины отложений в крупных речных долинах и геологически проседающих структурных бассейнах, входят в число наиболее продуктивных источников грунтовых вод.
Потоки флюидов могут изменяться в различных литологических условиях за счет хрупкой деформации пород в зонах разломов ; механизмы, посредством которых это происходит, являются предметом гидрогеологии зон разломов . [18]
Зависимость от грунтовых вод будет только увеличиваться, в основном из-за растущего спроса на воду во всех секторах в сочетании с увеличивающимися колебаниями в характере выпадения осадков . [19]
Подземные воды являются наиболее доступным источником пресной воды в мире, в том числе в качестве питьевой воды , воды для орошения и производства . Подземные воды составляют около половины питьевой воды в мире, 40% воды для орошения и треть воды для промышленных целей. [16]
По другой оценке, на подземные воды приходится около трети всего водозабора в мире , а на поверхностные воды — оставшиеся две трети. [20] : 21 Подземные воды обеспечивают питьевой водой не менее 50% населения мира. [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 забора пресной воды в мире для удовлетворения сельскохозяйственных, промышленных и бытовых нужд». [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 роста были особенно высокими (около 3% в год) в период 1950–1980 годов, отчасти из-за более высоких темпов роста населения, а отчасти из-за быстро растущего освоения подземных вод, особенно для орошения. Темпы роста составляют (по состоянию на 2022 год) приблизительно 1% в год, что соответствует текущим темпам роста населения. [19] : 15
Глобальное истощение грунтовых вод оценивается в 100–300 км 3 в год. Это истощение в основном вызвано «расширением орошаемого земледелия в засушливых районах ». [22] : 1091
Азиатско -Тихоокеанский регион является крупнейшим в мире источником подземных вод, в нем находятся семь из десяти стран, которые извлекают больше всего подземных вод (Бангладеш, Китай, Индия, Индонезия, Иран, Пакистан и Турция). Только на эти страны приходится около 60% от общего объема забора подземных вод в мире. [19] : 6
Подземные воды могут быть или не быть безопасным источником воды. Фактически, существует значительная неопределенность с подземными водами в различных гидрогеологических контекстах: широко распространенное присутствие загрязняющих веществ, таких как мышьяк , фторид и соленость, может снизить пригодность подземных вод в качестве источника питьевой воды. Мышьяк и фторид считаются приоритетными загрязняющими веществами на глобальном уровне, хотя приоритетные химические вещества будут различаться в зависимости от страны. [21]
Существует много неоднородности гидрогеологических свойств. По этой причине соленость грунтовых вод часто сильно варьируется в зависимости от пространства. Это способствует сильно варьирующимся рискам безопасности грунтовых вод даже в пределах определенного региона. [21] Соленость грунтовых вод делает воду неприятной на вкус и непригодной для использования и часто встречается в прибрежных районах, например, в Бангладеш и Восточной и Западной Африке. [21]
Муниципальное и промышленное водоснабжение осуществляется через большие скважины. Несколько скважин для одного источника водоснабжения называются «wellfields», которые могут забирать воду из замкнутых или незамкнутых водоносных горизонтов. Использование грунтовых вод из глубоких замкнутых водоносных горизонтов обеспечивает большую защиту от загрязнения поверхностных вод. Некоторые скважины, называемые «коллекторными скважинами», специально спроектированы для инфильтрации поверхностных (обычно речных) вод.
Водоносные горизонты, которые обеспечивают устойчивые свежие грунтовые воды для городских территорий и для сельскохозяйственного орошения, обычно находятся близко к поверхности земли (в пределах пары сотен метров) и имеют некоторую подпитку пресной водой. Эта подпитка обычно осуществляется реками или метеорными водами (осадками), которые просачиваются в водоносный горизонт через вышележащие ненасыщенные материалы.
В целом, орошение 20% сельскохозяйственных земель (с различными типами источников воды) обеспечивает производство 40% 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 долгое время были источниками воды для орошения. Большая часть извлеченных грунтовых вод, 70%, используется в сельскохозяйственных целях. [27]
В Индии 65% орошения осуществляется за счет грунтовых вод [28] , и около 90% извлекаемых грунтовых вод используется для орошения. [29]
Иногда осадочные или «ископаемые» водоносные горизонты используются для обеспечения орошения и питьевой воды в городских районах. Например, в Ливии проект Муаммара Каддафи « Великая рукотворная река » перекачал большие объемы грунтовых вод из водоносных горизонтов под Сахарой в густонаселенные районы вблизи побережья. [30] Хотя это сэкономило Ливии деньги по сравнению с альтернативой, опреснением морской воды, водоносные горизонты, вероятно, иссякнут через 60–100 лет. [30]
,_water_well_with_tree.jpg/1280px-Niger,_Margou_(13),_water_well_with_tree.jpg)
Подземные воды обеспечивают критически важное снабжение пресной водой , особенно в засушливых регионах, где доступность поверхностных вод ограничена. [31] В глобальном масштабе более трети используемой воды берется из-под земли. В засушливых и полузасушливых регионах средних широт, где не хватает поверхностных вод из рек и водохранилищ, подземные воды имеют решающее значение для поддержания глобальной экологии и удовлетворения общественных потребностей в питьевой воде и производстве продуктов питания. Спрос на подземные воды быстро растет с ростом населения, в то время как изменение климата создает дополнительную нагрузку на водные ресурсы и повышает вероятность возникновения сильных засух. [31]
Антропогенное воздействие на ресурсы подземных вод в основном обусловлено откачкой подземных вод и косвенным воздействием орошения и изменений в землепользовании. [ 31]
Подземные воды играют центральную роль в поддержании водоснабжения и жизнеобеспечения в странах Африки к югу от Сахары . [32] В некоторых случаях подземные воды являются дополнительным источником воды, который ранее не использовался. [33]
Зависимость от грунтовых вод растет в странах Африки к югу от Сахары, поскольку программы развития направлены на улучшение доступа к воде и повышение устойчивости к изменению климата. [34] В районах с низким уровнем дохода запасы грунтовых вод обычно устанавливаются без инфраструктуры или услуг по очистке качества воды. Эта практика подкреплена предположением, 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. [34] Химические загрязнители широко распространены в грунтовых водах, которые используются для питья, но не контролируются регулярно. Примерами приоритетных параметров являются фторид , мышьяк , нитрат или соленость . [34]Во-первых, схемы смягчения последствий наводнений, предназначенные для защиты инфраструктуры, построенной на поймах, имели непреднамеренные последствия в виде сокращения пополнения водоносного горизонта, связанного с естественным наводнением. Во-вторых, длительное истощение грунтовых вод в обширных водоносных горизонтах может привести к проседанию земли с сопутствующим повреждением инфраструктуры, а также, в-третьих, к проникновению солей . [35] В-четвертых, осушение кислых сульфатных почв, часто встречающихся на низменных прибрежных равнинах, может привести к подкислению и загрязнению ранее пресноводных и эстуарных потоков. [36]
Подземные воды являются весьма полезным и часто обильным ресурсом. Большинство земельных участков на Земле имеют под собой некую форму водоносного слоя, иногда на значительной глубине. В некоторых случаях эти водоносные слои быстро истощаются населением. Такое чрезмерное использование, чрезмерное изъятие или перерасход могут вызвать серьезные проблемы для пользователей и окружающей среды. Наиболее очевидной проблемой (что касается использования человеком подземных вод) является понижение уровня грунтовых вод за пределы досягаемости существующих скважин. Как следствие, скважины должны быть пробурены глубже, чтобы достичь грунтовых вод; в некоторых местах (например, в Калифорнии , Техасе и Индии ) уровень грунтовых вод упал на сотни футов из-за интенсивной откачки скважин. [38] Спутники GRACE собрали данные, которые показывают, что 21 из 37 основных водоносных слоев Земли истощаются. [16] Например, в регионе Пенджаб в Индии уровень грунтовых вод упал на 10 метров с 1979 года, и скорость истощения ускоряется. [39] Пониженный уровень грунтовых вод может, в свою очередь, вызвать другие проблемы, такие как просадка грунтовых вод и проникновение соленой воды . [40]
Еще одной причиной для беспокойства является то, что отток грунтовых вод из перераспределенных водоносных горизонтов может нанести серьезный ущерб как наземным, так и водным экосистемам — в некоторых случаях очень заметный, но в других — совершенно незаметный из-за длительного периода, в течение которого происходит ущерб. [35] Важность грунтовых вод для экосистем часто упускается из виду, даже биологами и экологами, занимающимися пресной водой. Грунтовые воды поддерживают реки, водно-болотные угодья и озера , а также подземные экосистемы в карстовых или аллювиальных водоносных горизонтах.
Конечно, не всем экосистемам нужны грунтовые воды. Некоторые наземные экосистемы, например, открытые пустыни и аналогичные засушливые среды, существуют за счет нерегулярных осадков и влаги, которую они доставляют в почву, дополняемой влагой из воздуха. Хотя есть и другие наземные экосистемы в более гостеприимных средах, где грунтовые воды не играют центральной роли, грунтовые воды на самом деле являются основой для многих основных экосистем мира. Вода течет между грунтовыми и поверхностными водами. Большинство рек, озер и водно-болотных угодий питаются грунтовыми водами и (в других местах или в другое время) питают их 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 в течение по крайней мере части каждого года. Гипорейные зоны (зона смешивания 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? ] скважин для добычи грунтовых вод 6–20% подвержены высокому риску высыхания , если уровень местных грунтовых вод снизится на несколько метров или — как во многих районах и, возможно, более чем в половине основных водоносных горизонтов [41] — продолжит снижаться. [42] [43]
Пресноводные водоносные горизонты, особенно те, которые имеют ограниченную подпитку снегом или дождем, также известные как метеорные воды , могут чрезмерно эксплуатироваться и в зависимости от местной гидрогеологии могут втягивать непитьевую воду или проникать соленую воду из гидравлически связанных водоносных горизонтов или поверхностных водоемов . Это может быть серьезной проблемой, особенно в прибрежных районах и других районах, где откачка водоносных горизонтов чрезмерна.
Оседание происходит, когда из-под земли откачивается слишком много воды, выкачивая пространство под поверхностью и, таким образом, вызывая обрушение грунта. Результат может выглядеть как кратеры на участках земли. Это происходит потому, что в своем естественном равновесном состоянии гидравлическое давление грунтовых вод в поровых пространствах водоносного слоя и водоупора поддерживает часть веса вышележащих отложений. Когда грунтовые воды удаляются из водоносных слоев путем чрезмерной откачки, поровое давление в водоносном слое падает и может произойти сжатие водоносного слоя. Это сжатие может быть частично восстановлено, если давление восстановится, но большая его часть не может. Когда водоносный слой сжимается, это может вызвать оседание земли, падение поверхности земли. [44]
В неконсолидированных водоносных горизонтах грунтовые воды образуются из поровых пространств между частицами гравия, песка и ила. Если водоносный горизонт ограничен слоями с низкой проницаемостью, пониженное давление воды в песке и гравии вызывает медленный дренаж воды из прилегающих удерживающих 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 можно наблюдать на поверхности земли как проседание . К сожалению, большая часть проседания от извлечения подземных вод является постоянной (упругая отдача мала). Таким образом, проседание является не только постоянным, но и сжатый водоносный горизонт имеет постоянно сниженную способность удерживать воду.
Город Новый Орлеан, штат Луизиана , сегодня фактически находится ниже уровня моря, и его оседание частично вызвано удалением грунтовых вод из различных систем водоносного слоя/водоупора под ним. [45] В первой половине 20-го века долина Сан-Хоакин испытала значительное оседание , в некоторых местах до 8,5 метров (28 футов) [46] из-за удаления грунтовых вод. Города в дельтах рек, включая Венецию в Италии [47] и Бангкок в Таиланде [48] , испытали поверхностное оседание; Мехико, построенный на бывшем дне озера, испытал скорость оседания до 40 сантиметров (1 фут 4 дюйма) в год. [49]
Для прибрежных городов просадка грунта может увеличить риск других экологических проблем, таких как повышение уровня моря . [50] Например, ожидается, что к 2070 году в Бангкоке 5,138 млн человек будут подвержены прибрежному наводнению из-за этих факторов. [50]
Если поверхностный источник воды также подвергается значительному испарению, источник грунтовых вод может стать соленым . Такая ситуация может возникнуть естественным образом под бессточным водоемом или искусственно под орошаемым сельскохозяйственным угодьем. В прибрежных районах использование человеком источника грунтовых вод может привести к изменению направления просачивания в океан, что также может вызвать засоление почвы .
По мере того, как вода движется по ландшафту, она собирает растворимые соли, в основном хлорид натрия . Там, где такая вода попадает в атмосферу через эвапотранспирацию , эти соли остаются. В ирригационных округах плохой дренаж почв и поверхностных водоносных горизонтов может привести к выходу грунтовых вод на поверхность в низинных районах. Возникают серьезные проблемы деградации земель , связанные с засолением почв и заболачиванием [51] , в сочетании с повышением уровня соли в поверхностных водах. В результате был нанесен серьезный ущерб местной экономике и окружающей среде. [52]
Водоносные горизонты на поверхностных орошаемых территориях в полузасушливых зонах с повторным использованием неизбежных потерь оросительной воды, просачивающейся вниз под землю из-за дополнительного орошения из скважин, подвергаются риску засоления . [53]
Поверхностная оросительная вода обычно содержит соли порядка0,5 г/л или более, а годовая потребность в орошении составляет порядка10 000 м 3 /га или более, поэтому ежегодный импорт соли составляет порядка5000 кг/га или более. [54]
Под воздействием постоянного испарения концентрация солей в воде водоносного горизонта может постоянно увеличиваться и в конечном итоге привести к возникновению экологической проблемы.
Для контроля засоленности в таком случае ежегодно необходимо сбрасывать определенное количество дренажной воды из водоносного слоя с помощью подземной дренажной системы и утилизировать ее через безопасный слив. Дренажная система может быть горизонтальной (т. е. с использованием труб, плиточных дренажей или канав) или вертикальной ( дренаж скважинами ). Для оценки потребности в дренаже может быть полезным использование модели грунтовых вод с компонентом агро-гидро-засоленности, например SahysMod .
Водоносные горизонты вблизи побережья имеют линзу пресной воды вблизи поверхности и более плотную морскую воду под пресной водой. Морская вода проникает в водоносный горизонт, диффундируя из океана, и плотнее пресной воды. 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) напора пресной воды над уровнем моря . Это соотношение называется уравнением Гибена-Герцберга . Если слишком много грунтовых вод откачивается вблизи побережья, соленая вода может проникнуть в пресноводные водоносные горизонты, вызывая загрязнение запасов питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как водоносный горизонт Бискейн вблизи Майами и водоносный горизонт прибрежной равнины Нью-Джерси, имеют проблемы с проникновением соленой воды в результате чрезмерной откачки и повышения уровня моря.
Вторжение морской воды — это поток или присутствие морской воды в прибрежных водоносных горизонтах; это случай вторжения соленой воды . Это естественное явление, но оно также может быть вызвано или усугублено антропогенными факторами, такими как повышение уровня моря из-за изменения климата . [55] В случае однородных водоносных горизонтов вторжение морской воды образует соленый клин под переходной зоной к пресным грунтовым водам, текущим в сторону моря сверху. [56] [57] Эти изменения могут иметь другие последствия для земли над грунтовыми водами. Например, прибрежные грунтовые воды в Калифорнии поднимутся во многих водоносных горизонтах, увеличивая риски затоплений и проблем со стоком . [55]
Подъем уровня моря вызывает смешивание морской воды с прибрежными грунтовыми водами, делая их непригодными для использования, как только они составляют более 2-3% водохранилища. Вдоль приблизительно 15% береговой линии США большинство местных уровней грунтовых вод уже ниже уровня моря. [58]
.jpg/1280px-Pit_latrine_and_well_in_close_proximity_(3794846044).jpg)
Загрязнение грунтовых вод (также называемое загрязнением грунтовых вод) происходит, когда загрязняющие вещества выбрасываются в почву и попадают в грунтовые воды. Этот тип загрязнения воды может также возникать естественным образом из-за присутствия незначительного и нежелательного компонента, загрязняющего вещества или примеси в грунтовых водах, и в этом случае его скорее называют загрязнением, а не загрязнением . Загрязнение грунтовых вод может происходить из-за локальных систем канализации , фильтрата свалок , стоков с очистных сооружений , протекающей канализации, заправочных станций , гидравлического разрыва пласта (фрекинг) или из-за чрезмерного применения удобрений в сельском хозяйстве . Загрязнение (или заражение) также может происходить из-за природных загрязняющих веществ, таких как мышьяк или фторид . [59] Использование загрязненных грунтовых вод создает опасность для здоровья населения из-за отравления или распространения болезней ( заболевания, передающиеся через воду ).
Загрязнитель часто создает шлейф загрязняющих веществ в водоносном горизонте . Движение воды и дисперсия в водоносном горизонте распространяют загрязняющее вещество на более широкую область. Его продвигающаяся граница, часто называемая краем шлейфа, может пересекаться с грунтовыми водными скважинами и поверхностными водами, такими как просачивания и родники, делая водоснабжение небезопасным для людей и диких животных. Движение шлейфа, называемое фронтом шлейфа, можно проанализировать с помощью гидрологической модели переноса или модели грунтовых вод . Анализ загрязнения грунтовых вод может быть сосредоточен на характеристиках почвы и геологии участка , гидрогеологии , гидрологии и природе загрязняющих веществ. Различные механизмы влияют на перенос загрязняющих веществ, например , диффузия , адсорбция , осаждение , распад в грунтовых водах..jpg/1280px-Providing_clean_water_and_flood-resistant_shelter_in_Sindh_(5950788649).jpg)
Влияние изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим через его косвенное воздействие на потребность в воде для орошения через увеличение эвапотранспирации . [19] : 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 . [22] : 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. [22]
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. [60] : 558 В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к большему пополнению грунтовых вод. [60] : 582
Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [60] : 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». [60] : 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. [19] : 104 Но более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что приведет к снижению инфильтрации в грунтовые воды. [61]
Для регионов, расположенных на больших высотах, сокращение продолжительности и количества снега может привести к снижению пополнения грунтовых вод весной. [60] : 582 Влияние отступающих альпийских ледников на системы грунтовых вод изучено недостаточно. [19] : 106
Глобальное повышение уровня моря из-за изменения климата вызвало вторжение морской воды в прибрежные водоносные горизонты по всему миру, особенно в низменных районах и на небольших островах. [60] : 611 Однако основной причиной вторжения морской воды обычно является забор грунтовых вод, а не повышение уровня моря (см. раздел о вторжении морской воды). [19] : 5 Вторжение морской воды угрожает прибрежным экосистемам и устойчивости средств к существованию. Бангладеш является уязвимой страной в этом отношении, а мангровые леса Сундарбана являются уязвимой экосистемой. [60] : 611
Загрязнение грунтовых вод может также косвенно увеличиться из-за изменения климата: более частые и интенсивные штормы могут загрязнять грунтовые воды, перемещая загрязняющие вещества, например, удобрения, сточные воды или человеческие экскременты из выгребных ям. [60] : 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 не зависят от забора воды человеком, в отличие от примеров 5–8, где интенсивность забора грунтовых 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. [62]
Основанные на грунтовых водах адаптации к изменению климата используют распределенное хранение грунтовых вод и способность систем водоносных горизонтов хранить сезонные или эпизодические излишки воды. [19] : 5 Они несут существенно меньшие потери от испарения, чем обычная инфраструктура, такая как поверхностные плотины. Например, в тропической Африке откачка воды из хранилища грунтовых вод может помочь повысить устойчивость воды и продовольствия к изменению климата. [19] : 110
Развитие геотермальной энергии , устойчивого источника энергии , играет важную роль в сокращении выбросов CO2 и, таким образом, смягчении последствий изменения климата . [19] : 5 Подземные воды играют роль в хранении, перемещении и извлечении 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 для сдерживания накопления углекислого газа в атмосфере. [19] : 5
Процессы управления грунтовыми водами позволяют осуществлять управление грунтовыми водами, планирование и реализацию политики. Это происходит в различных масштабах и географических уровнях, включая региональные и трансграничные масштабы. [19] : 2
Управление грунтовыми водами ориентировано на действия, фокусируясь на практических действиях по внедрению и повседневной работе. Поскольку грунтовые воды часто воспринимаются как частный ресурс (то есть тесно связанный с землевладением, а в некоторых юрисдикциях рассматриваются как находящиеся в частной собственности), регулирование и управление сверху вниз затруднены. Правительствам необходимо полностью взять на себя роль хранителей ресурсов с учетом аспектов общего блага грунтовых вод. [19] : 2
Внутренние законы и правила регулируют доступ к грунтовым водам, а также деятельность человека, которая влияет на качество грунтовых вод. Правовые рамки также должны включать защиту зон сброса и подпитки и территории вокруг скважин водоснабжения, а также устойчивые нормы выработки и контроль за забором воды, а также правила совместного использования. В некоторых юрисдикциях грунтовые 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 самых дефицитных в мире по запасам воды, а грунтовые воды являются наиболее надежным источником воды по крайней мере в 11 из 22 арабских государств. Чрезмерное извлечение грунтовых вод во многих частях региона привело к снижению уровня грунтовых вод, особенно в густонаселенных и сельскохозяйственных районах. [19] : 7
Текст был скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 3.0 International.Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.Текст скопирован из этого источника, который доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International.{{citation}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )