stringtranslate.com

Овердрафт

В течение длительного периода истощения грунтовых вод в Центральной долине Калифорнии короткие периоды восстановления были в основном обусловлены экстремальными погодными явлениями, которые обычно вызывали наводнения и имели негативные социальные, экологические и экономические последствия. [1]

Овердрафт — это процесс извлечения грунтовых вод сверх равновесного дебита водоносного горизонта . Грунтовые воды являются одним из крупнейших источников пресной воды и находятся под землей. Основной причиной истощения грунтовых вод является чрезмерная откачка грунтовых вод из подземных водоносных горизонтов. Недостаточное пополнение может привести к истощению, снижая полезность водоносного горизонта для людей. Истощение также может иметь последствия для окружающей среды вокруг водоносного горизонта, такие как сжатие почвы и просадка земли , местные климатические изменения, изменения химии почвы и другие ухудшения местной окружающей среды.

Существует два набора показателей производительности: безопасная производительность и устойчивая производительность . Безопасная производительность — это количество грунтовых вод, которое может быть извлечено в течение определенного периода времени без превышения долгосрочной скорости пополнения или нарушения целостности водоносного горизонта. [2] [3] Устойчивая производительность — это количество извлекаемой воды, которое может поддерживаться неограниченно долго без негативных гидрологических последствий, принимая во внимание как скорость пополнения , так и воздействие на поверхностные воды . [4]

Существует два типа водоносных горизонтов: ограниченные и незамкнутые. В ограниченных водоносных горизонтах есть перекрывающий слой, называемый водоупором , который содержит непроницаемые материалы, через которые грунтовые воды не могут быть извлечены. В незамкнутых водоносных горизонтах нет водоупора, и грунтовые воды могут свободно извлекаться с поверхности. Извлечение грунтовых вод из незамкнутых водоносных горизонтов похоже на заимствование воды: ее необходимо пополнять с надлежащей скоростью. Пополнение может происходить путем искусственного и естественного пополнения. [5]

Механизм

Когда грунтовые воды извлекаются из водоносного слоя, вокруг скважины создается конус депрессии . По мере продолжения забора воды радиус конуса увеличивается. Извлечение слишком большого количества воды (перебор) может привести к негативным последствиям, таким как падение уровня грунтовых вод , просадка почвы и потеря поверхностной воды, достигающей ручьев. В экстремальных случаях запас воды, который естественным образом пополняет водоносный слой, извлекается непосредственно из ручьев и рек, что снижает их уровень воды. Это влияет на дикую природу, а также на людей, которые могут использовать воду для других целей. [5]

Естественный процесс пополнения водоносного горизонта происходит посредством просачивания поверхностных вод. Водоносный горизонт может быть искусственно пополнен, например, путем закачивания очищенной воды из проектов по управлению сточными водами непосредственно в водоносный горизонт. Примером является Водный округ округа Ориндж в Калифорнии . [6] Эта организация принимает сточные воды, очищает их до надлежащего уровня, а затем систематически закачивает их обратно в водоносные горизонты для искусственного пополнения.

Поскольку каждый бассейн грунтовых вод пополняется с разной скоростью в зависимости от осадков , растительного покрова и методов сохранения почвы , количество грунтовых вод, которое можно безопасно откачивать, сильно различается в разных регионах мира и даже в пределах провинций. Некоторым водоносным горизонтам требуется очень много времени для пополнения, и, таким образом, чрезмерный отбор может эффективно иссушить определенные запасы подземных вод . Просадка происходит, когда из горных пород, которые выдерживают больший вес при насыщении, извлекается избыточная грунтовая вода. Это может привести к снижению емкости водоносного горизонта. [7]

Изменения в доступности пресной воды происходят из-за естественной и человеческой деятельности (в сочетании с изменением климата ), которая влияет на модели пополнения запасов грунтовых вод. Одной из основных антропогенных видов деятельности, вызывающих истощение грунтовых вод, является орошение . Примерно 40% мирового орошения поддерживается грунтовыми водами, и орошение является основной деятельностью, вызывающей потерю запасов грунтовых вод в США [8]

По всему миру

Этот рейтинг основан на количестве грунтовых вод, используемых каждой страной для сельского хозяйства. Эта проблема становится значимой в Соединенных Штатах (особенно в Калифорнии), но она является постоянной проблемой в других частях мира, например, как было задокументировано в Пенджабе , Индия, в 1987 году . [10]

Соединенные Штаты

В США, по оценкам, 800 км 3 грунтовых вод были истощены в течение 20-го века. [8] Развитие городов и других областей с высокой концентрацией потребления воды создало нагрузку на ресурсы грунтовых вод. В сценариях после развития взаимодействие между поверхностными и грунтовыми водами сокращается; меньше перемешивания между поверхностью и под поверхностью ( взаимный поток ), что приводит к истощению уровня грунтовых вод. [11]

На скорость пополнения грунтовых вод также влияет повышение температуры, которое увеличивает поверхностное испарение и транспирацию, что приводит к снижению содержания воды в почве. [12] Антропогенные изменения в хранении грунтовых вод, такие как чрезмерная откачка и истощение уровня грунтовых вод в сочетании с изменением климата, эффективно изменяют гидросферу и влияют на экосистемы, которые зависят от грунтовых вод. [13]

Ускоренное снижение подземных резервуаров

Согласно отчету 2013 года исследователя-гидролога Леонарда Ф. Коникова [14] из Геологической службы США (USGS), истощение водоносного горизонта Огаллала в период с 2001 по 2008 год составляет около 32% от совокупного истощения за весь 20-й век. [14] В Соединенных Штатах крупнейшими потребителями воды из водоносных горизонтов являются сельскохозяйственное орошение , а также добыча нефти и угля . [15] По словам Коникова, «совокупное общее истощение подземных вод в Соединенных Штатах ускорилось в конце 1940-х годов и продолжалось почти с постоянной линейной скоростью до конца века. В дополнение к широко признанным экологическим последствиям, истощение подземных вод также отрицательно влияет на долгосрочную устойчивость поставок подземных вод, чтобы помочь удовлетворить потребности страны в воде». [14]

Как сообщается в другом исследовании USGS по забору воды из 66 основных водоносных горизонтов США, тремя крупнейшими видами использования воды, извлекаемой из водоносных горизонтов, были орошение (68%), общественное водоснабжение (19%) и «промышленное самообеспечение» (4%). Оставшиеся 8% забора подземных вод были предназначены для «бытового самообеспечения, аквакультуры , животноводства , добычи полезных ископаемых и термоэлектроэнергетики ». [16]

Воздействие на окружающую среду

Извлечение грунтовых вод для использования в водоснабжении снижает общий уровень грунтовых вод, уровень, на котором находятся грунтовые воды в определенной области. Понижение уровня грунтовых вод может уменьшить сток и снизить уровень воды в других водоемах, таких как водно-болотные угодья и озера. [17] В карстовых системах крупномасштабный забор грунтовых вод может привести к образованию карстовых воронок или проседанию грунтовых вод. Чрезмерный отбор приводит к тому, что давление в известняковых отложениях становится нестабильным, а отложения разрушаются, создавая карстовую воронку. [18] Чрезмерный отбор в прибрежных районах может привести к снижению давления воды в водоносном горизонте, что позволяет проникнуть соленой воде. Если соленая вода загрязняет пресноводный водоносный горизонт, этот водоносный горизонт больше не может использоваться в качестве надежного источника пресной воды для поселений и городов. Искусственное пополнение может вернуть давление пресной воды, чтобы остановить проникновение соленой воды. Однако этот метод может быть экономически неэффективным и недоступным из-за высокой стоимости процесса. [18]

Когда водоносные горизонты или скважины грунтовых вод испытывают перерасход, химические концентрации в воде могут измениться. Химикаты, такие как кальций, магний, натрий, карбонат, бикарбонат, хлорид и сульфат, могут быть обнаружены в источниках грунтовых вод. [19] Изменения качества воды в результате перерасхода могут сделать ее небезопасной для потребления человеком; делая источники грунтовых вод непригодными для использования в качестве источника питьевой воды. [19]

Чрезмерный отбор воды может также повлиять на организмы, живущие в подземных водоносных горизонтах, известные как тигобионты . Потеря среды обитания для этих существ из-за чрезмерного отбора воды привела к сокращению биоразнообразия в некоторых районах. [20]

Экологические последствия овердрафта включают:

Просадка грунтовых вод

Просадка грунтовых вод — это просадка (или затопление) земли в результате неустойчивого извлечения грунтовых вод. Это растущая проблема в развивающихся странах, поскольку города увеличивают население и потребление воды без адекватного регулирования и обеспечения откачки. По одной из оценок, 80% серьезных проблем проседания земли в США связаны с чрезмерным извлечением грунтовых вод. [21]

Социально-экономические эффекты

Овердрафт имеет социально-экономические последствия из-за неравенства затрат, которое увеличивается по мере падения уровня грунтовых вод . По мере падения уровня грунтовых вод требуются более глубокие скважины, чтобы добраться до воды в водоносном горизонте. Это требует не только углубления уже существующих скважин, но и рытья новых скважин. [22] Оба процесса являются дорогостоящими. Исследования из Пенджаба показали, что высокая стоимость технологий для продолжения доступа к воде наносит больший ущерб мелким землевладельцам, чем крупным, потому что у крупных землевладельцев больше ресурсов «для инвестирования в технологии». [22] Таким образом, мелкие землевладельцы, которые традиционно имеют более низкий доход, чем крупные землевладельцы, не могут извлечь выгоду из технологии, которая обеспечивает больший доступ к воде. [22] Это создает цикл неравенства, поскольку мелкие землевладельцы, зависящие от сельского хозяйства, имеют меньше воды для орошения своих земель, что приводит к снижению урожайности.

Кроме того, превышение лимита имеет социально-экономические последствия из-за законов о предварительном присвоении . Права на предварительное присвоение гласят, что первый человек, который использует воду из источника воды, сохранит право на воду. Эти права приводят к социально-экономическому неравенству, поскольку предприятия и/или крупные землевладельцы, имеющие более высокий доход, могут сохранять свои права на воду. Между тем, новые предприятия или мелкие землевладельцы имеют меньший доступ к воде, что приводит к меньшей возможности получения прибыли. [22] Из-за этого неравенства мелкие фермеры в Пенджабе с меньшими правами на воду, как правило, выращивают кукурузу или менее продуктивный рис; между тем, крупные землевладельцы в Пенджабе могут использовать больше земли для риса, поскольку у них есть доступ к воде. [22]

Возможные решения

Искусственная подпитка:

Поскольку пополнение является естественным пополнением воды, искусственное пополнение является искусственным пополнением грунтовых вод, хотя для пополнения доступно лишь ограниченное количество пригодной для этого воды. [23]

Методы экономии воды:

Другие решения включают внедрение методов водосбережения для снижения перерасхода. Они включают улучшение управления для обеспечения надлежащего управления водными ресурсами, стимулирование водосбережения, улучшение методов ведения сельского хозяйства для обеспечения эффективного использования воды, изменение рациона питания на культуры, требующие меньше воды, и инвестирование в инфраструктуру, которая использует воду устойчиво. [24] Штат Калифорния внедрил некоторые методы водосбережения из-за засух в штате. Некоторые из их методов включают запреты на: 1) полив на открытом воздухе, который стекает на тротуары или другие твердые поверхности, которые не впитывают воду, 2) мытье транспортных средств шлангом, у которого нет ручки отключения, 3) полив в течение 48 часов после четверти дюйма дождя и 4) полив коммерческой/промышленной декоративной травы. [25]

Стимулирование экономии воды:

Методы, используемые Калифорнией в чрезвычайных ситуациях, полезны; однако, важен стимул следовать им. В городе Спокан действует программа по стимулированию устойчивых ландшафтов под названием SpokaneScape. Эта программа стимулирует водосберегающие ландшафты, предлагая домовладельцам кредит до 500 долларов на счет за коммунальные услуги, если они адаптируют свои дворы к водосберегающим растениям. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Лю, Пан-Вэй; Фамиглиетти, Джеймс С.; Перди, Адам Дж.; Адамс, Кайра Х.; и др. (19 декабря 2022 г.). «Истощение грунтовых вод в Центральной долине Калифорнии ускоряется во время мегазасухи». Nature Communications . 13 (7825): 7825. Bibcode :2022NatCo..13.7825L. doi : 10.1038/s41467-022-35582-x . PMC  9763392 . PMID  36535940.(Архив самой диаграммы)
  2. ^ "Safe Yield". Фонд водного образования . 22 июня 2020 г. Получено 19 декабря 2022 г.
  3. ^ "Безопасный доход". solareis.anl.gov . Получено 2022-12-19 .
  4. ^ Рудестам, Кирстен; Лэнгридж, Рут (2014). «Устойчивая урожайность в теории и практике: соединение научного и общепринятого языков». Groundwater . 51 (S1): 90–99. Bibcode :2014GrWat..52S..90R. doi :10.1111/gwat.12160. PMID  24479641. S2CID  34864194 – через Wiley Online Library.
  5. ^ ab Lassiter, Allison (июль 2015 г.). Устойчивые водные проблемы и решения из Калифорнии . Калифорнийский университет. ISBN 9780520285354.
  6. ^ «Водный округ округа Ориндж».
  7. ^ "Просадка грунта". Школа водных наук USGS . Геологическая служба США. 2015-08-20. Архивировано из оригинала 2013-11-10 . Получено 2013-04-06 .
  8. ^ ab Condon, Laura E.; Maxwell, Reed M. (июнь 2019 г.). «Моделирование чувствительности эвапотранспирации и речного стока к крупномасштабному истощению грунтовых вод». Science Advances . 5 (6): eaav4574. Bibcode :2019SciA....5.4574C. doi :10.1126/sciadv.aav4574. ISSN  2375-2548. PMC 6584623 . PMID  31223647. 
  9. ^ Блэк, Мэгги (2009). Атлас воды . Беркли и Лос-Анджелес, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета. стр. 62. ISBN 9780520259348.
  10. ^ Дхаван, Б.Д. (1993). «Истощение грунтовых вод в Пенджабе». Economic and Political Weekly . 28 (44): 2397–2401. JSTOR  4400350.
  11. ^ Sophocleous, Marios (февраль 2002 г.). «Взаимодействие между грунтовыми и поверхностными водами: состояние науки». Hydrogeology Journal . 10 (1): 52–67. Bibcode : 2002HydJ...10...52S. doi : 10.1007/s10040-001-0170-8. ISSN  1431-2174. S2CID  2891081.
  12. ^ Грин, Тимоти Р.; Танигучи, Макото; Кои, Хенк; Гурдак, Джейсон Дж.; Аллен, Диана М.; Хискок, Кевин М.; Трейдел, Хольгер; Аурели, Элис (август 2011 г.). «Под поверхностью глобальных изменений: воздействие изменения климата на грунтовые воды». Журнал гидрологии . 405 (3–4): 532–560. Bibcode : 2011JHyd..405..532G. doi : 10.1016/j.jhydrol.2011.05.002. S2CID  18098122.
  13. ^ Орельяна, Фелипе; Верма, Парикшит; Лохайде, Стивен П.; Дейли, Эдоардо (сентябрь 2012 г.). «Мониторинг и моделирование взаимодействий воды и растительности в экосистемах, зависящих от грунтовых вод: ЭКОСИСТЕМЫ, ЗАВИСИМЫЕ ОТ ПОДЗЕМНЫХ ВОД». Обзоры геофизики . 50 (3). doi : 10.1029/2011RG000383 .
  14. ^ abc Konikow, Leonard F. Истощение грунтовых вод в Соединенных Штатах (1900–2008) (PDF) (Отчет). Отчет о научных исследованиях. Рестон, Вирджиния: Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США. стр. 63.
  15. ^ Забаренко, Дебора (20 мая 2013 г.). «Падение уровня подземных вод в США ускорилось: USGS». Вашингтон, округ Колумбия: Reuters.
  16. ^ Мопин, Молли А. и Барбер, Нэнси Л. (июль 2005 г.). «Предполагаемые изъятия из основных водоносных горизонтов в Соединенных Штатах, 2000 г.». Геологическая служба США. Циркуляр 1279.
  17. ^ Zektser, S.; Loáiciga, HA; Wolf, JT (1 февраля 2005 г.). «Экологические последствия перерасхода грунтовых вод: отдельные примеры на юго-западе США». Environmental Geology . 47 (3): 396–404. doi :10.1007/s00254-004-1164-3. S2CID  129514582.
  18. ^ ab Брукс, Кеннет Н.; Фоллиотт, Питер Ф.; Магнер, Джозеф А. (2013). Гидрология и управление водоразделами (4-е изд.). Эймс, Айова: Wiley-Blackwell. стр. 184. ISBN 978-0-4709-6305-0.
  19. ^ ab Saber, Mohamed; Ahmed, Omar; Keheila, Esmat A.; Mohamed, Mohamed Abdel-Moneim; Kantoush, Sameh A.; Abdel-Fattah, Mohammed; Sumi, Tetsuya (2022). Оценка воздействия избыточного забора грунтовых вод на качество воды и ухудшение состояния окружающей среды в районе Фарес, Асуан, Египет. Наука о стихийных бедствиях и инженерное обеспечение смягчения последствий: отчеты DPRI. Springer. стр. 529–551. doi :10.1007/978-981-16-2904-4_22. ISBN 978-981-16-2903-7. S2CID  242196835. {{cite book}}: |website=проигнорировано ( помощь )
  20. ^ Девитт, Томас (5 августа 2019 г.). «Существа глубокого карста». Американский ученый .
  21. ^ Информационный бюллетень USGS-165-00 Декабрь 2000 г.
  22. ^ abcde Sarkar, Anindita (12–18 февраля 2011 г.). «Социально-экономические последствия истощения ресурсов грунтовых вод в Пенджабе: сравнительный анализ различных систем орошения». Economic and Political Weekly . стр. 61–63. JSTOR  27918148. Получено 25 ноября 2023 г.
  23. ^ Ласситер, Эллисон (2015). Устойчивая вода . Окленд, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета. стр. 186.
  24. ^ Кузен, Эртарин; Кавамура, АГ; Роузгрант, Марк У. (2019). «Стратегии повышения безопасности воды, продовольствия и питания». Чикагский совет по глобальным вопросам : 28 – через JSTOR.
  25. ^ "Портал по сохранению водных ресурсов - Положение об охране окружающей среды в чрезвычайных ситуациях | Калифорнийский государственный совет по контролю за водными ресурсами". www.waterboards.ca.gov . Получено 25.11.2023 .
  26. ^ "SpokaneScape". my.spokanecity.org . 2020-04-30 . Получено 2023-11-25 .

Внешние ссылки