Введение
Вода, находящаяся под земной поверхностью
Подземные воды – это вода, присутствующая под поверхностью Земли в порах горных пород и почвы, а также в трещинах скальных образований. Около 30 процентов всей пресной воды, доступной в мире, составляют подземные воды. Горная порода или рыхлый отложение называется водоносным горизонтом, если она способна отдавать 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; они могут естественным образом выходить на поверхность в виде родников и просачиваний, формируя оазисы или водно-болотные угодья. Подземные воды также часто извлекаются для сельскохозяйственных, коммунальных и промышленных нужд путем бурения и эксплуатации скважин. Изучение распределения и движения подземных вод называется гидрогеологией, также известной как гидрология подземных вод. Обычно подземные воды рассматриваются как вода, протекающая через неглубокие водоносные горизонты, но в техническом смысле они могут включать почвенную влагу, вечную мерзлоту (замороженную почву), неподвижную воду в породах с очень низкой проницаемостью, а также глубокую геотермальную или нефтяную формационную воду. Предполагается, что подземные воды обеспечивают смазку, которая потенциально может влиять на движение разломов. Вероятно, большая часть земной коры содержит некоторое количество воды, которое в некоторых случаях может смешиваться с другими жидкостями. Подземные воды часто дешевле, удобнее и менее подвержены загрязнению, чем поверхностные воды. Поэтому они обычно используются для обеспечения общественного водоснабжения. Например, подземные воды являются крупнейшим источником полезных запасов воды в Соединенных Штатах, а штат Калифорния ежегодно извлекает наибольшее количество подземных вод среди всех штатов. Подземные резервуары содержат гораздо больше воды, чем все поверхностные резервуары и озера в США, включая Великие озера. Многие системы коммунального водоснабжения используют исключительно подземные воды. Более 2 миллиардов человек во всем мире полагаются на них как на основной источник воды. Использование подземных вод человеком вызывает экологические проблемы. Например, загрязненные подземные воды менее заметны и их сложнее очистить, чем загрязнение в реках и озерах. Загрязнение подземных вод чаще всего возникает из-за неправильной утилизации отходов на суше. Основные источники включают промышленные и бытовые химические вещества и мусорные полигоны, избыточное использование удобрений и пестицидов в сельском хозяйстве, промышленные отстойники, отвалы и сточные воды от горнодобывающих предприятий, гидроразрыв пласта, нефтяные рассолы, утечки из подземных резервуаров и трубопроводов для хранения нефти, осадок сточных вод и септики. Кроме того, подземные воды подвержены проникновению соленой воды в прибрежных районах и могут вызывать оседание грунта при неустойчивом извлечении, приводя к опусканию городов (например, Бангкока) и потере высоты (например, на несколько метров в Центральной долине Калифорнии). Эти проблемы усугубляются повышением уровня моря и другими последствиями изменения климата, особенно влиянием на водный цикл. Наклон земной оси сместился на 31 дюйм из-за откачки человеком подземных вод.
Определение
Подземные воды – это пресная вода, расположенная в межпоровом пространстве почв и горных пород. Это также вода, циркулирующая в водоносных горизонтах ниже уровня грунтовых вод. Иногда полезно проводить различие между подземными водами, тесно связанными с поверхностными водами, и глубокими подземными водами в водоносном горизонте (называемыми "ископаемыми водами", если они просочились в землю тысячелетия назад).
Роль в цикле воды
Подземные воды можно рассматривать в тех же терминах, что и поверхностные: поступление, отток и запасы. Естественным поступлением в подземные воды является инфильтрация из поверхностных вод. Естественным оттоком подземных вод являются родники и инфильтрация в океаны. В силу медленной скорости обновления, запасы подземных вод, как правило, значительно больше (по объему) по сравнению с поступлением, чем запасы поверхностных вод. Эта разница позволяет людям длительное время использовать подземные воды неустойчиво, не сталкиваясь с серьезными последствиями. Тем не менее, в долгосрочной перспективе средняя скорость инфильтрации над источником подземных вод является верхним пределом для 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. Подземные воды могут быть долгосрочным «резервуаром» природного круговорота воды (с периодом пребывания от дней до тысячелетий), в отличие от краткосрочных резервуаров, таких как атмосфера и пресная поверхностная вода (с периодом пребывания от минут до лет). Глубокие подземные воды (которые находятся на значительном удалении от поверхностного пополнения) могут проходить очень длительный период, прежде чем завершат свой природный цикл. Большой Артезианский бассейн в центральной и восточной Австралии – одна из крупнейших в мире систем напорных водоносных горизонтов, простирающаяся почти на 2 миллиона км². Анализируя микроэлементы в воде, добываемой из глубоких подземных источников, гидрогеологи смогли установить, что возраст воды, извлекаемой из этих водоносных горизонтов, может превышать 1 миллион лет. Сравнивая возраст подземных вод, полученных из разных частей Большого Артезианского бассейна, гидрогеологи обнаружили, что возраст воды увеличивается по направлению к западу. В местах пополнения водоносных горизонтов вдоль Восточного водораздела возраст воды небольшой. По мере движения подземных вод на запад по континенту их возраст увеличивается, а самые старые подземные воды встречаются в западных частях. Это означает, что для преодоления расстояния почти в 1000 км от источника пополнения за 1 миллион лет, подземные воды, протекающие через Большой Артезианский бассейн, движутся со средней скоростью около 1 метра в год.
Температура
Высокая удельная теплоемкость воды и изолирующее действие почвы и горных пород способны смягчать влияние климата и поддерживать температуру подземных вод на относительно постоянном уровне. В некоторых местах, где этот эффект обеспечивает поддержание температуры грунтовых вод около 10 °C (50 °F), их можно использовать для регулирования температуры внутри наземных сооружений. Например, в жаркую погоду относительно прохладную подземную воду можно прокачивать через радиаторы в доме, а затем возвращать обратно в землю через другой колодец. В холодное время года, благодаря своей относительной теплоте, воду можно использовать аналогичным образом в качестве источника тепла для тепловых насосов, что значительно эффективнее, чем использование воздуха.
Доступность
Подземные воды составляют около тридцати процентов мировых запасов пресной воды, что соответствует примерно 0,76% от общего объема воды на Земле, включая океаны и постоянные ледяные массивы. Около 99% всей жидкой пресной воды в мире – это подземные воды. Общий объем мировых запасов подземных вод приблизительно равен общему объему пресной воды, содержащейся в снежном и ледяном покрове, включая Северный и Южный полюса. Это делает их важным ресурсом, способным служить естественным резервуаром, смягчающим последствия нехватки поверхностных вод, например, в периоды засухи. Объем подземных вод в водоносном горизонте можно оценить, измеряя уровень воды в местных скважинах и изучая геологические данные, полученные при бурении, для определения протяженности, глубины и мощности водоносных отложений и пород. Перед инвестированием в эксплуатационные скважины могут быть пробурены разведочные скважины для определения глубины залегания воды и отбора проб грунта, пород и воды для лабораторного анализа. Насосные испытания в разведочных скважинах позволяют определить фильтрационные характеристики водоносного горизонта.
Использование людьми
Зависимость от подземных вод будет только возрастать, главным образом из-за растущего спроса на воду всеми секторами, в сочетании с возрастающей изменчивостью режимов осадков.
Количество
Подземные воды являются наиболее доступным источником пресной воды во всем мире, включая использование в качестве питьевой воды, для орошения и в промышленности. На подземные воды приходится около половины мирового объема питьевой воды, 40% воды для орошения и треть воды для промышленных нужд. Подземные воды обеспечивают питьевой водой не менее 50% населения земного шара. Около 2,5 миллиарда человек полностью зависят от ресурсов подземных вод для удовлетворения своих основных ежедневных потребностей в воде. Глобальный забор пресной воды составлял примерно 600 км³ в год в 1900 году и увеличился до 3880 км³ 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 и отчасти из-за быстрого развития использования подземных вод, особенно для орошения. По состоянию на 2022 год темпы роста составляют примерно 1% в год, что соответствует текущим темпам роста населения. Методы орошения во всем мире включают каналы, отводящие поверхностные воды, откачку подземных вод и водозабор из плотин. Водоносные горизонты имеют критическое значение для сельского хозяйства. Глубокие водоносные горизонты в засушливых районах давно служат источниками воды для орошения. Большая часть извлекаемых подземных вод – 70% – используется в сельском хозяйстве. В Индии 65% орошения осуществляется за счет подземных вод, и около 90% извлеченных подземных вод используется для орошения. В некоторых случаях осадочные или "ископаемые" водоносные горизонты используются для обеспечения ирригационной и питьевой воды в городских районах. Например, в Ливии проект Муаммара Каддафи «Великая рукотворная река» перекачивает большие объемы подземных вод из водоносных горизонтов под Сахарой в густонаселенные прибрежные районы. Хотя это позволило Ливии сэкономить средства по сравнению с опреснением, водоносные горизонты, вероятно, иссякнут через 60–100 лет.
Вызовы
Во-первых, системы защиты от наводнений, предназначенные для защиты инфраструктуры, расположенной на пойменных территориях, непреднамеренно привели к уменьшению пополнения подземных вод, связанного с естественными паводками. Во-вторых, продолжительное истощение грунтовых вод в крупных водоносных горизонтах может вызвать оседание земной поверхности, что приводит к повреждению инфраструктуры, а также, в-третьих, к проникновению соленой воды. В-четвертых, осушение кислых сульфатных почв, часто встречающихся на низменных прибрежных равнинах, может привести к закислению и загрязнению ранее пресноводных и устьевых рек и ручьев.
Овердрафт
Подземные воды – чрезвычайно полезный и часто обильный ресурс. Большинство суши на Земле подстилается той или иной формой водоносного горизонта, иногда на значительной глубине. В некоторых случаях эти водоносные горизонты быстро истощаются из-за деятельности человека. Такое чрезмерное использование, чрезмерный забор воды или дефицит водных ресурсов может привести к серьезным проблемам для людей и окружающей среды. Наиболее очевидная проблема (с точки зрения использования подземных вод человеком) – это понижение уровня грунтовых вод ниже досягаемости существующих скважин. В результате скважины приходится бурить глубже для доступа к подземным водам; в некоторых местах (например, в Калифорнии, Техасе и Индии) уровень воды опустился на сотни футов из-за интенсивной откачки воды из скважин. Спутники GRACE собрали данные, которые демонстрируют, что 21 из 37 крупнейших водоносных горизонтов Земли подвергаются истощению. Понижение уровня грунтовых вод, в свою очередь, может вызвать другие проблемы, такие как оседание грунта, связанное с подземными водами, и проникновение соленой воды. Еще одна причина для беспокойства заключается в том, что отбор воды из перераспределенных водоносных горизонтов может нанести серьезный ущерб как наземным, так и водным экосистемам – в одних случаях очень заметно, а в других – практически незаметно из-за длительного периода, в течение которого происходит ущерб. Запасы пресной воды в водоносных горизонтах, особенно тех, которые имеют ограниченное пополнение снегом или дождем, также известным как атмосферные осадки, могут быть истощены, и в зависимости от местной гидрогеологии могут смешиваться с непитьевой водой или подвергаться проникновению соленой воды из гидравлически связанных водоносных горизонтов или поверхностных водоемов. Это может быть серьезной проблемой, особенно в прибрежных районах и других местах, где откачка воды из водоносных горизонтов чрезмерна.
Заседание
Оседание происходит, когда из-под земли откачивается слишком много воды, что приводит к уменьшению объема пространства ниже поверхности и, как следствие, к проседанию грунта. Это может проявляться в виде воронкообразных углублений на поверхности земли. Причина заключается в том, что в естественном равновесии гидравлическое давление грунтовых вод в порах водоносного горизонта и водоупорного слоя поддерживает часть веса вышележащих отложений. При чрезмерной откачке грунтовых вод давление в порах водоносного горизонта падает, что приводит к его сжатию. Это сжатие может быть частично обратимым при восстановлении давления, но в большинстве случаев является необратимым. Сжатие водоносного горизонта может вызвать оседание земной поверхности. В рыхлых водоносных горизонтах грунтовые воды содержатся в порах между частицами гравия, песка и ила. Если водоносный горизонт ограничен слоями с низкой проницаемостью, снижение давления воды в песке и гравии приводит к медленному дренажу воды из прилегающих водоупорных слоев. Если эти водоупорные слои состоят из сжимаемых илов или глин, потеря воды в водоносный горизонт снижает давление воды в водоупорном слое, вызывая его сжатие под весом вышележащих геологических отложений. В серьезных случаях это сжатие можно наблюдать на поверхности земли в виде оседания. К сожалению, большая часть оседания, вызванного откачкой грунтовых вод, является постоянной (эластичное восстановление незначительно). Таким образом, оседание не только необратимо, но и сжатый водоносный горизонт теряет способность удерживать воду. Город Новый Орлеан, штат Луизиана, в настоящее время расположен ниже уровня моря, и его оседание частично вызвано откачкой грунтовых вод из различных водоносных горизонтов и водоупорных слоев, расположенных под ним. В первой половине 20-го века долина Сан-Хоакин испытала значительное оседание, в некоторых местах достигающее 8,5 метров (28 футов) из-за откачки грунтовых вод. Города, расположенные в дельтах рек, такие как Венеция в Италии и Бангкок в Таиланде, также подвержены оседанию поверхности; Мехико, построенный на дне бывшего озера, испытывает скорость оседания до 40 см в год. Для прибрежных городов оседание может увеличить риск других экологических проблем, таких как повышение уровня моря. Например, ожидается, что к 2070 году в Бангкоке 5,138 миллиона человек окажутся подвержены риску прибрежных наводнений из-за сочетания этих факторов, а также повышения солености поверхностных вод. В результате этого местные экономики и окружающая среда несут значительный ущерб. Водоносные горизонты в орошаемых районах в полузасушливых зонах, где происходит повторное использование неизбежных потерь воды при орошении, просачивающейся в подземные воды с помощью дополнительного орошения из скважин, подвержены риску засоления. Вода для поверхностного орошения обычно содержит соли в концентрации 0,5 и более, а годовая потребность в орошении составляет 10000 и более, что приводит к ежегодному поступлению 5000 и более единиц соли. Под влиянием непрерывного испарения концентрация соли в воде водоносного горизонта может постоянно увеличиваться и в конечном итоге вызвать экологическую проблему. Для контроля солености в таких случаях необходимо ежегодно отводить определенное количество дренажных вод из водоносного горизонта с помощью системы подземного дренажа и отводить их через безопасный выход. Система дренажа может быть горизонтальной (например, с использованием труб, дренажных труб или канав) или вертикальной (дренаж с помощью скважин). Для оценки потребности в дренаже может быть полезно использовать гидрогеологическую модель с компонентом агрогидросолености, например SahysMod.
Внедрение морской воды
В водоносных горизонтах вблизи побережья наблюдается линза пресной воды у поверхности и более плотная морская вода под ней. Морская вода проникает в водоносный горизонт, диффундируя из океана, и она плотнее пресной воды. Для пористых (то есть песчаных) водоносных горизонтов у побережья толщина слоя пресной воды над соленой водой составляет примерно 40 футов (12 м) на каждый 1 фут (0 м) высоты пресной воды над уровнем моря. Эта зависимость известна как уравнение Гибена-Герцберга. Если вблизи побережья откачивается слишком много грунтовых вод, соленая вода может проникать в пресноводные водоносные горизонты, вызывая загрязнение источников питьевой пресной воды. Многие прибрежные водоносные горизонты, такие как водоносный горизонт Бискейн в районе Майами и водоносный горизонт прибрежной равнины Нью-Джерси, испытывают проблемы с вторжением соленой воды из-за чрезмерной откачки и повышения уровня моря. Вторжение морской воды – это поступление или присутствие морской воды в прибрежные водоносные горизонты; это один из видов проникновения соленой воды. Это естественный процесс, но он может быть вызван или усугублен антропогенными факторами, такими как повышение уровня моря, связанное с изменением климата. В случае однородных водоносных горизонтов вторжение морской воды формирует соленый клин под переходной зоной к пресной грунтовой воде, который течет в сторону моря по верху. Эти изменения могут оказывать и другие воздействия на наземные территории, расположенные над грунтовыми водами. Например, в прибрежных районах Калифорнии уровень грунтовых вод во многих водоносных горизонтах повысится, что увеличит риск наводнений и создаст проблемы с поверхностным стоком.
Изменение климата
Влияние изменения климата на подземные воды может быть наиболее существенным через его косвенное воздействие на спрос на воду для орошения из-за усиления испаропотока. В тропиках интенсивные осадки и паводки, по-видимому, приводят к увеличению пополнения подземных вод. В высокогорных районах сокращение продолжительности и объема снегового покрова может привести к уменьшению пополнения подземных вод весной. Адаптация к изменению климата с использованием подземных вод опирается на распределенные запасы подземных вод и способность водоносных систем накапливать сезонные или эпизодические излишки воды. Потери от испарения при этом значительно ниже, чем при использовании традиционной инфраструктуры, такой как поверхностные плотины. Например, в тропической Африке откачка воды из подземных хранилищ может способствовать повышению устойчивости водо- и продовольственного обеспечения к изменению климата.
Смягчение последствий изменения климата
Развитие геотермальной энергии, как устойчивого источника энергии, играет важную роль в сокращении выбросов CO2 и, следовательно, в смягчении последствий изменения климата. Подземные воды участвуют в хранении, перемещении и извлечении геотермальной энергии. В передовых странах, таких как Нидерланды и Швеция, грунт и подземные воды все чаще рассматриваются как один из компонентов (сезонный источник, накопитель или тепловой "буфер") в системах централизованного тепло- и холодоснабжения. Глубокие водоносные горизонты также могут использоваться для улавливания и захоронения углерода – процесса хранения углерода с целью ограничения накопления углекислого газа в атмосфере.
Управление подземными водами
Процессы управления подземными водами обеспечивают управление, планирование и реализацию политики в отношении подземных вод. Они осуществляются на различных уровнях и в разных масштабах, включая региональный и трансграничный. Управление подземными водами ориентировано на практические действия, сосредоточенные на непосредственной реализации и текущей деятельности. Поскольку подземные воды часто рассматриваются как частный ресурс (то есть тесно связанный с правом собственности на землю, а в некоторых юрисдикциях – как частная собственность), регулирование и централизованное управление ими затруднено. Правительства должны в полной мере осознать свою роль как распорядителей ресурсами, учитывая общественный интерес в отношении подземных вод. Национальное законодательство и нормативные акты регулируют доступ к подземным водам, а также деятельность, оказывающую влияние на их качество. Правовые рамки также должны предусматривать защиту зон питания и разгрузки, территорий вокруг водозаборных скважин, а также нормы устойчивой эксплуатации и контроля за водоотбором, а также правила комплексного использования водных ресурсов. В некоторых юрисдикциях регулирование подземных вод осуществляется совместно с регулированием поверхностных вод, включая реки.
По странам
Подземные воды являются важным водным ресурсом для обеспечения питьевого водоснабжения, особенно в засушливых странах. Арабский регион – один из наиболее испытывающих дефицит воды регионов в мире, и подземные воды являются основным источником водоснабжения как минимум в 11 из 22 арабских государств. Чрезмерная откачка подземных вод во многих частях региона привела к понижению уровня грунтовых вод, особенно в густонаселенных и сельскохозяйственных районах.