Введение

Изучение распределения и движения подземных вод
подземная гидрология

Гидрогеология (гидро означает воду, а геология – изучение Земли) – это область геологии, которая занимается распределением и движением подземных вод в почве и породах земной коры (обычно в водоносных горизонтах). Термины гидрология подземных вод, геогидрология и гидрогеология часто используются как синонимы. Гидрогеология изучает закономерности движения подземных вод, механическое, химическое и термическое взаимодействие этих вод с пористым веществом, а также перенос энергии, химических элементов и взвешенных частиц потоком (Domenico и Schwartz, 1998). Инженерная гидрогеология, еще одно название для гидрогеологии, является отраслью инженерного дела, которая рассматривает движение подземных вод и проектирование скважин, насосов и дренажных систем. Основные задачи инженерной гидрогеологии включают загрязнение подземных вод, сохранение запасов и качество воды. Скважины строятся для использования в развивающихся странах, а также в развитых странах в районах, не подключенных к централизованному водоснабжению. Скважины должны быть спроектированы и обслуживаться таким образом, чтобы обеспечивать целостность водоносного горизонта и предотвращать попадание загрязняющих веществ в подземные воды. Возникают споры при использовании подземных вод, когда это влияет на системы поверхностных вод или когда деятельность человека угрожает целостности местной системы водоносных горизонтов.

Введение

Гидрогеология – это междисциплинарная область науки; бывает сложно в полной мере учесть химические, физические, биологические и даже правовые взаимодействия между почвой, водой, природой и обществом. Изучение взаимодействия между движением подземных вод и геологией может быть весьма сложным. Подземные воды не всегда соответствуют рельефу поверхности; они движутся по градиентам давления (от областей высокого давления к областям низкого), часто через трещины и каналы сложными, извилистыми путями. Для учета взаимосвязи различных сторон многокомпонентной системы часто требуются знания в нескольких различных областях как на экспериментальном, так и на теоретическом уровне. Далее представлено более традиционное введение в методы и терминологию насыщенной подповерхностной гидрологии.

Гидрогеология в отношении других областей

Гидрогеология, как указано выше, является отраслью наук о Земле, изучающей движение воды через водоносные горизонты и другие неглубокие пористые среды (обычно на глубине до 450 м под поверхностью земли). Очень поверхностное движение воды в подпочве (в пределах верхних 3 м) имеет значение для почвоведения, сельского хозяйства и гражданского строительства, а также для гидрогеологии. Общий поток флюидов (воды, углеводородов, геотермальных флюидов и т.д.) в более глубоких формациях также является областью интересов геологов, геофизиков и нефтяных геологов. Подземные воды – это медленно движущаяся, вязкая жидкость (с числом Рейнольдса меньше единицы); многие эмпирически выведенные законы течения подземных вод могут быть альтернативно получены в гидродинамике из частного случая течения Стокса (с учетом вязкости и давления, но без инерционных членов). Математические зависимости, используемые для описания течения воды через пористые среды, включают закон Дарси, уравнения диффузии и Лапласа, которые находят применение в самых разных областях. Стационарное течение подземных вод (уравнение Лапласа) моделировалось с использованием электрических, упругих и теплопроводных аналогий. Нестационарное течение подземных вод аналогично диффузии тепла в твердом теле, поэтому некоторые решения гидрологических задач были адаптированы из литературы по теплопередаче. Традиционно движение подземных вод изучалось отдельно от поверхностных вод, климатологии и даже химических и микробиологических аспектов гидрогеологии (процессы рассматривались как несвязанные). По мере развития гидрогеологии становится все более очевидным сильное взаимодействие между подземными водами, поверхностными водами, химическим составом воды, влажностью почвы и даже климатом. В Калифорнии и Вашингтоне требуется специальная сертификация гидрогеологов для предоставления профессиональных услуг населению. В двадцати девяти штатах требуется профессиональная лицензия для геологов, чтобы предоставлять свои услуги населению, что часто включает в себя работу в области разработки, управления и/или восстановления ресурсов подземных вод. Например, истощение или чрезмерная эксплуатация водоносных горизонтов и откачка ископаемых вод могут способствовать повышению уровня моря.

Водоносные горизонты

Водоносный горизонт – это скопление воды под земной поверхностью, достаточное по объему для использования в роднике или скважине. Водоносные горизонты могут быть неупоренными, где верхняя граница водоносного горизонта определяется уровнем грунтовых вод, или упоренными, где водоносный горизонт залегает под водоупорным слоем. Природа водоносных горизонтов определяется тремя основными факторами: стратиграфией, литологией и геологическим строением и отложениями. Стратиграфия описывает возраст и геометрию различных слоев, составляющих водоносный горизонт. Литология характеризует физические свойства водоносного горизонта, такие как минералогический состав и размер зерен. Структурные элементы – это особенности, возникающие в результате деформаций после отложения, например, трещины и складки. Понимание этих факторов имеет решающее значение для понимания процессов формирования водоносного горизонта и его использования в инженерной гидрогеологии.

Гидравлическая головка

Различия в гидравлическом напоре (h) заставляют воду перемещаться из одного места в другое; вода течет из мест с высоким h в места с низким h. Гидравлический напор состоит из напора давления (ψ) и высотной отметки (z). Градиент напора – это изменение гидравлического напора на единицу длины пути потока, и он фигурирует в законе Дарси как величина, пропорциональная расходу. Гидравлический напор – это непосредственно измеримое свойство, которое может принимать любое значение (из-за произвольно выбранной высотной отметки в члене z); ψ можно измерить с помощью преобразователя давления (это значение может быть отрицательным, например, при разрежении, но положительным в насыщенных водоносных горизонтах), а z можно измерить относительно нивелирной отметки (обычно верхняя часть обсадной колонны скважины). Обычно в скважинах, вскрывающих неупорядоченные водоносные горизонты, уровень воды в скважине используется как показатель гидравлического напора, при условии отсутствия вертикального градиента давления. Часто требуются только изменения гидравлического напора во времени, поэтому постоянный член высотной отметки можно опустить (Δh = Δψ). Запись гидравлического напора во времени в скважине называется гидрографом, а изменения гидравлического напора, зарегистрированные во время откачки скважины при испытаниях, называются понижением уровня воды.

Пористость

Пористость (n) – это непосредственно измеримое свойство водоносного горизонта, представляющее собой долю в диапазоне от 0 до 1, указывающую на объем порового пространства между несцементированными частицами грунта или внутри трещиноватой породы. Как правило, основная масса грунтовых вод (и растворенных в них веществ) перемещается через поры, доступные для фильтрации (иногда называемые эффективной пористостью). Проницаемость характеризует связанность пор. Например, цельная порода может обладать высокой пористостью (содержать много пустот между зернами), но низкой проницаемостью (пор не соединены между собой). Камень-пемза является примером такого явления: в нетрещинованном состоянии он может быть плохим водоупорным слоем. Пористость не оказывает непосредственного влияния на распределение гидравлического напора в водоносном горизонте, однако существенно влияет на миграцию растворенных загрязнителей, поскольку влияет на скорость движения грунтовых вод через обратно пропорциональную зависимость. Закон Дарси широко используется для изучения движения воды и других жидкостей в пористых средах и является основой для многих гидрогеологических исследований.

Содержание воды

Содержание воды (θ) также является непосредственно измеримым параметром; это доля общей породы, занятая жидкой водой. Это также значение в диапазоне от 0 до 1, но оно должно быть меньше или равно общей пористости. Содержание воды играет важную роль в гидрологии вадозной зоны, где гидравлическая проводимость является сильно нелинейной функцией содержания воды, что затрудняет решение уравнения течения в ненасыщенных грунтах.

Гидравлическая проводимость

Гидравлическая проводимость (K) и трансмиссивность (T) – это косвенные характеристики водоносного горизонта (они не могут быть измерены напрямую). Трансмиссивность (T) представляет собой гидравлическую проводимость (K), интегрированную по вертикальной мощности (b) водоносного горизонта (T=Kb, если K постоянна по всей мощности). Эти характеристики оценивают способность водоносного горизонта пропускать воду. Внутренняя проницаемость (κ) – это свойство среды, не зависящее от вязкости и плотности жидкости (в то время как K и T специфичны для воды); она чаще используется в нефтедобывающей промышленности.

Специфическое хранение и специфический урожай

Специфическое хранение (Ss) и его интегральное по глубине представление, водоносность (S = Ssb), являются косвенными характеристиками водоносного горизонта (они не могут быть измерены непосредственно); они показывают объем подземных вод, вытесняемых из хранилища при единичном понижении напора в напорном водоносном горизонте. Это значения в диапазоне от 0 до 1. Удельный вынос (Sy) также является отношением в диапазоне от 0 до 1 (Sy ≤ пористость) и показывает объем воды, вытесняемой при дренировании при понижении уровня воды в ненапорном водоносном горизонте. Значение удельного выноса меньше значения пористости, поскольку некоторая вода остается в среде даже после дренирования из-за межмолекулярных сил. Часто пористость или эффективная пористость используется как верхняя граница для удельного выноса. Как правило, Sy на несколько порядков больше Ss.

Гидрогеология зоны разлома

Гидрогеология зон разломов – это изучение того, как хрупко деформированные породы изменяют потоки флюидов в различных литологических обстановках, таких как обломочные, магматические и карбонатные породы. Движение флюидов, которое можно количественно оценить как проницаемость, может облегчаться или затрудняться из-за наличия зоны разлома. Это происходит потому, что различные механизмы деформирования и измененные породы могут изменять пористость и, следовательно, проницаемость внутри зоны разлома. Обычно рассматриваемые флюиды – это грунтовые воды (пресные и морские) и углеводороды (нефть и газ). Зона разлома, являясь зоной ослабления, способствует увеличению мощности зоны выветривания и, как следствие, пополнению запасов грунтовых вод. Помимо разломов, трещины и слоистость также способствуют циркуляции грунтовых вод, особенно в твердых горных породах. Наряду с пониманием направлений движения грунтовых вод, основываясь на вышеупомянутых гидрологических свойствах, существуют дополнительные характеристики водоносных горизонтов, влияющие на миграцию растворенных загрязнителей вместе с грунтовыми водами.

Гидродинамическая дисперсия

Гидродинамическая дисперсивность (αL, αT) – это эмпирический коэффициент, который количественно определяет степень отклонения загрязняющих веществ от траектории движения подземных вод, переносящих их. Часть загрязняющих веществ будет отставать или опережать средний поток подземных вод, что приводит к продольной дисперсивности (αL), а часть – отклоняться в стороны от чисто адвективного потока, вызывая поперечную дисперсивность (αT). Дисперсия в подземных водах обусловлена тем, что каждая "частица" воды, обтекая частицу грунта, должна выбрать направление движения – влево или вправо, вверх или вниз, – в результате чего "частицы" воды (и растворённые в ней вещества) постепенно рассеиваются во всех направлениях вокруг средней траектории. Это "микроскопический" механизм, действующий в масштабе отдельных частиц грунта. Однако на больших расстояниях более значимыми могут быть макроскопические неоднородности водоносного горизонта, характеризующиеся областями с различной проницаемостью. Это приводит к тому, что вода находит предпочтительные пути движения в разных направлениях, и загрязняющее вещество распространяется нерегулярно, подобно дельте реки (в трёхмерном пространстве). Фактически, дисперсивность отражает недостаток информации о моделируемой системе. Многие мелкие детали строения водоносного горизонта (например, тонкие прослои гравия и глины в песчаных водоносных горизонтах) усредняются при использовании макроскопического подхода и проявляются в виде кажущейся дисперсивности. Поэтому часто утверждается, что α зависит от масштаба задачи – дисперсивность, определяемая для переноса в объёме 1 м3 водоносного горизонта, отличается от дисперсивности для переноса в объёме 1 см3 того же материала.

Молекулярная диффузия

Диффузия – фундаментальное физическое явление, которое Альберт Эйнштейн охарактеризовал как броуновское движение, описывающее случайное тепловое движение молекул и мелких частиц в газах и жидкостях. Это важное явление на небольших расстояниях (необходимо для достижения термодинамического равновесия), но, поскольку время, необходимое для преодоления расстояния посредством диффузии, пропорционально квадрату этого расстояния, оно неэффективно для распространения растворенного вещества на макроскопических расстояниях. Коэффициент диффузии, D, как правило, довольно мал, и его влияние часто можно считать пренебрежимо малым (если только скорости потока грунтовых вод не чрезвычайно низки, как это бывает в глинистых водоупорных слоях). Важно не путать диффузию с дисперсией, поскольку первая представляет собой физическое явление, а вторая – эмпирический фактор, представленный в форме, аналогичной диффузии, поскольку мы уже знаем, как решать подобные задачи.

Задержка адсорбции

Фактор задержки – еще одна очень важная характеристика, заставляющая движение загрязняющего вещества отклоняться от среднего движения грунтовых вод. Он аналогичен фактору задержки в хроматографии. В отличие от диффузии и дисперсии, которые лишь рассеивают загрязняющее вещество, фактор задержки изменяет его среднюю глобальную скорость, делая ее значительно медленнее скорости воды. Это обусловлено химико-физическим эффектом: адсорбцией на почве, которая задерживает загрязняющее вещество и препятствует его продвижению до тех пор, пока не будет адсорбировано количество, соответствующее химическому равновесию адсорбции. Этот эффект особенно важен для малорастворимых загрязнителей, которые могут перемещаться в сотни или тысячи раз медленнее воды. Следствием этого явления является то, что на большие расстояния перемещаются только более растворимые вещества. Фактор задержки зависит от химических свойств как загрязняющего вещества, так и водоносного горизонта.

Генри Дарси: 19-й век

Генри Дарси был французским ученым, внесшим вклад в изучение течения жидкостей через пористые среды. Он проводил эксперименты, исследуя движение жидкостей сквозь песчаные колонны. Эти эксперименты позволили сформулировать закон Дарси, описывающий течение жидкости через среду с высокой пористостью. Работы Дарси считаются началом количественной гидрогеологии.

Оскар Эдвард Майнцер: 20-й век

Оскар Эдвард Майнцер был американским ученым, которого часто называют "отцом современной гидрологии подземных вод". Он стандартизировал ключевые термины в этой области, а также сформулировал принципы, касающиеся образования, движения и стока подземных вод. Он доказал, что течение воды подчиняется закону Дарси. Он также предложил использовать геофизические методы и уровнемеры в скважинах, а также проводить испытания откачкой для получения количественных данных о свойствах водоносных горизонтов. Майнцер также подчеркнул важность изучения геохимии воды и влияние повышенной солености в водоносных горизонтах.

Закон Дарси

Закон Дарси — это устанавливающее соотношение, эмпирически выведенное Генри Дарси в 1856 году, которое гласит, что объем грунтовых вод, вытекающих через заданную часть водоносного горизонта, пропорционален площади поперечного сечения потока, гидравлическому градиенту и гидравлической проницаемости.

Уравнение потока грунтовых вод

Уравнение потока грунтовых вод в своей наиболее общей форме описывает движение грунтовых вод в пористой среде (водоносные горизонты и водоупорные слои). В математике оно известно как уравнение диффузии и имеет множество аналогов в других областях науки. Многие решения для задач потока грунтовых вод были заимствованы или адаптированы из существующих решений в области теплопередачи. Оно часто выводится из физических принципов, используя закон Дарси и закон сохранения массы для малого контрольного объема. Уравнение часто используется для прогнозирования притока к скважинам, обладающим радиальной симметрией, поэтому уравнение потока обычно решается в полярных или цилиндрических координатах. Уравнение Тейса – одно из наиболее часто используемых и фундаментальных решений уравнения потока грунтовых вод; оно позволяет прогнозировать временное изменение напора, вызванное откачкой воды из одной или нескольких скважин. Уравнение Тиема является решением уравнения потока грунтовых вод в установившемся режиме (уравнение Лапласа) для притока к скважине. В реальности истинное установившееся состояние достигается редко, если поблизости нет крупных источников воды (реки или озера). Оба вышеупомянутых уравнения используются при испытаниях водоносных горизонтов (насосных испытаниях). Уравнение Гугхаудта – это уравнение потока грунтовых вод, применяемое для подземного дренажа с помощью труб, дренажных канав или канав. Альтернативным методом подземного дренажа является дренаж скважинами, для которого также существуют уравнения потока грунтовых вод.

Аналитические методы

Аналитические методы обычно используют математический аппарат для получения простого и элегантного решения, однако требуемые вычисления для всех, кроме самых простых геометрических областей, могут быть весьма сложными (включая использование нестандартных координат, конформного отображения и т.п.). Аналитические решения, как правило, представляют собой просто уравнение, позволяющее быстро получить результат на основе нескольких основных параметров. Уравнение Тейса – это очень простое (но при этом весьма полезное) аналитическое решение уравнения фильтрации грунтовых вод, которое обычно используется для анализа результатов испытаний водоносного горизонта или штамповых испытаний.

Численные методы

Тема численных методов весьма обширна и, очевидно, полезна для большинства областей техники и науки в целом. Численные методы появились задолго до появления компьютеров (еще в 1920-х годах Ричардсон разработал некоторые схемы конечных разностей, которые до сих пор используются, но вычисления выполнялись вручную, с помощью бумаги и карандаша, людьми, выполнявшими роль "вычислителей"), однако их значимость возросла благодаря доступности быстрых и недорогих персональных компьютеров. Ниже представлен краткий обзор основных численных методов, используемых в гидрогеологии, и некоторых базовых принципов, которые будут более подробно рассмотрены в статье о моделях подземных вод. Существует две основные категории численных методов: методы, основанные на сетках (дискретизированные методы), и методы, не требующие сетки (бессеточные методы). В распространенных методе конечных разностей и методе конечных элементов (МКЭ) область полностью разбивается на сетку ("разрезается" на сетку или mesh из небольших элементов). Метод аналитических элементов (MAE) и метод граничных интегральных уравнений (МГИУ – иногда также называемый МГЭ или методом граничных элементов) дискретизируются только на границах или вдоль линий потока (линейные источники, площадные источники и т.д.), в то время как основная часть области остается свободной от сетки.

Общие свойства сетевых методов

Методы, основанные на сетях, такие как метод конечных разностей и метод конечных элементов, решают уравнение потока грунтовых вод путем разбиения решаемой области (домена) на множество малых элементов (квадраты, прямоугольники, треугольники, блоки, тетраэдры и т.д.) и решения уравнения потока для каждого элемента (при этом все свойства материала считаются постоянными или, возможно, линейно изменяющимися внутри элемента), а затем объединения всех элементов с использованием закона сохранения массы на границах между ними (что аналогично теореме дивергенции). В результате получается система, которая в целом аппроксимирует уравнение потока грунтовых вод, но точно соответствует граничным условиям (напор или поток задаются в элементах, пересекающих границы). Метод конечных разностей – это способ представления непрерывных дифференциальных операторов с использованием дискретных интервалов (Δx и Δt), и методы конечных разностей основаны на них (они выводятся из ряда Тейлора). Например, первая производная по времени часто аппроксимируется следующим прямым методом конечных разностей, где индексы указывают на дискретный момент времени.

Прямая аппроксимация конечных разностей безусловно устойчива, но приводит к системе неявных уравнений (которые необходимо решать с использованием матричных методов, например, разложения LU или Холецкого). Обратная аппроксимация конечных разностей устойчива лишь при определенных условиях, но она является явной и может быть использована для последовательного решения задачи во времени, начиная с одного узла сетки за раз (или, возможно, параллельно, поскольку каждый узел зависит только от своих непосредственных соседей). Вместо метода конечных разностей иногда используется аппроксимация методом конечных элементов Галеркина в пространстве (это отличается от типа метода конечных элементов, часто используемого в строительной механике), при этом для дискретизации по времени по-прежнему используются конечные разности.

Применение моделей конечных различий

MODFLOW – общеизвестный пример универсальной модели потока подземных вод, основанной на методе конечных разностей. Она разработана Геологической службой США как модульный и расширяемый инструмент для моделирования потока подземных вод. Это бесплатное программное обеспечение, разработанное, документированное и распространяемое USGS. Вокруг MODFLOW появилось множество коммерческих продуктов, предоставляющих графические пользовательские интерфейсы для работы с его интерфейсом, основанным на входных файлах, и обычно включающих предварительную и последующую обработку пользовательских данных. Было разработано множество других моделей для работы с входными и выходными данными MODFLOW, что позволяет создавать связанные модели, имитирующие несколько гидрологических процессов (модели потока и переноса, модели поверхностных и подземных вод, а также модели химических реакций) благодаря простоте и хорошей документированности MODFLOW.

Применение моделей с конечными элементами

Программы, основанные на методе конечных элементов, более гибки в плане построения моделей (использование треугольных элементов в отличие от блочных элементов, применяемых в большинстве моделей, использующих метод конечных разностей), и существует ряд доступных программных пакетов (SUTRA – двух- или трехмерная модель потока, зависящая от плотности, разработанная USGS; Hydrus – коммерческая модель для моделирования ненасыщенного потока; FEFLOW – коммерческая среда моделирования процессов подземного потока, переноса растворенных веществ и тепла; OpenGeoSys – научный проект с открытым исходным кодом для моделирования термогидромеханических и химических (THMC) процессов в пористых и трещиноватых средах; COMSOL Multiphysics – коммерческая универсальная среда моделирования, FEATool Multiphysics – простой в использовании набор инструментов для моделирования в MATLAB и Integrated Water Flow Model (IWFM)), однако они пока не получили такой же популярности среди практикующих гидрогеологов, как MODFLOW. Модели, основанные на методе конечных элементов, более распространены в университетской и лабораторной среде, где специализированные модели используются для решения нестандартных форм уравнения потока (ненасыщенный поток, поток, зависящий от плотности, сопряженный тепловой и подземный поток и т.д.).

Применение моделей конечных объемов

Метод конечных объемов – это метод представления и решения частных дифференциальных уравнений в виде алгебраических уравнений. Подобно методу конечных разностей, значения вычисляются в дискретных точках на дискретизированной геометрии. "Конечный объем" относится к небольшому объему, окружающему каждую узловую точку на сетке. В методе конечных объемов объемные интегралы в частном дифференциальном уравнении, содержащие член дивергенции, преобразуются в поверхностные интегралы с использованием теоремы о дивергенции. Затем эти члены вычисляются как потоки на гранях каждого конечного объема. Поскольку поток, входящий в данный объем, равен потоку, выходящему из смежного объема, эти методы являются консервативными. Другим преимуществом метода конечных объемов является его простота формулировки для работы с неструктурированными сетками. Метод широко используется в различных пакетах программ для вычислительной гидродинамики. Программный пакет PORFLOW представляет собой комплексную математическую модель для моделирования потока подземных вод и обращения с ядерными отходами, разработанную компанией Analytic & Computational Research, Inc., ACRi. Программный пакет FEHM доступен для бесплатного скачивания из Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Этот универсальный симулятор пористой среды позволяет моделировать многофазные, тепловые, напряженно-деформированные процессы, а также многокомпонентную реактивную химию. Текущие исследования с использованием этого кода включают моделирование образования гидратов метана, секвестрацию CO2, добычу сланцевой нефти, миграцию как радиоактивных, так и химических загрязнителей, миграцию экологических изотопов в зоне ненасыщения и карстообразование.

Другие методы

К ним относятся методы, не требующие построения сетки, такие как метод аналитических элементов (AEM) и метод граничных элементов (BEM), которые ближе к аналитическим решениям, но все же в некоторой степени аппроксимируют уравнение потока грунтовых вод. Методы BEM и AEM точно решают уравнение потока грунтовых вод (обеспечивая идеальный баланс массы), аппроксимируя при этом граничные условия. Эти методы более точны и могут представлять собой более элегантные решения (подобно аналитическим методам), однако пока не получили широкого распространения за пределами академических и исследовательских коллективов.

Водные скважины

Водяной колодец – это устройство для подъема грунтовых вод на поверхность путем бурения или копания и последующего извлечения воды с помощью насоса или вручную, с использованием ведер или подобных приспособлений. Первое историческое упоминание о водяных колодцах относится к 52 веку до нашей эры на территории современной Австрии. Сегодня колодцы используются по всему миру, от развивающихся стран до пригородов в Соединенных Штатах. Существует три основных типа колодцев: мелкие, глубокие и артезианские. Мелкие колодцы используют неизолированные водоносные горизонты и, как правило, неглубокие – менее 15 метров в глубину. Мелкие колодцы обычно имеют небольшой диаметр, как правило, менее 15 сантиметров. Глубокие колодцы получают доступ к изолированным водоносным горизонтам и всегда бурятся механическим способом. Вода во всех глубоких колодцах поднимается на поверхность с помощью механических насосов. В артезианских колодцах вода поднимается на поверхность естественным путем, без использования насоса или другого механического устройства, благодаря тому, что верх колодца расположен ниже уровня грунтовых вод.

Фрекинг

Загрязнение грунтовых вод в результате гидроразрыва пласта (фрекинга) давно является предметом споров. Поскольку химические вещества, обычно используемые при гидравлическом разрыве, не проходят тестирование в государственных учреждениях, ответственных за оценку влияния фрекинга на подземные воды, лабораториям Агентства по охране окружающей среды США (EPA) сложно установить, присутствуют ли используемые при фрекинге химические вещества в близлежащих водоносных горизонтах. В 2016 году EPA опубликовало отчет, в котором констатируется, что фрекинг может приводить к загрязнению питьевой воды. Это стало отказом от прежней политики после исследования стоимостью 29 миллионов долларов, посвященного изучению последствий фрекинга для местных источников питьевой воды.

Калифорния

В Калифорнии наблюдаются одни из самых острых споров, связанных с использованием подземных вод, из-за засушливых условий, высокой плотности населения и интенсивного сельского хозяйства. Конфликты обычно возникают из-за откачки и вывоза подземных вод из региона, несправедливого водопользования коммерческими компаниями и загрязнения подземных вод в результате строительных проектов. В округе Сискию, расположенном на севере Калифорнии, Высший суд штата Калифорния постановил, что неэффективное регулирование подземных вод привело к снижению стока реки Скотт и нарушению естественной среды обитания лосося. В долине Оуэнс, в центральной Калифорнии, подземные воды откачивались для использования в рыбоводческих хозяйствах, что привело к гибели местных лугов и других экосистем. Это послужило причиной судебного разбирательства и последующего соглашения с рыбоводными компаниями. Строительство на юге Калифорнии представляет угрозу для местных водоносных горизонтов, загрязняя подземные воды в результате строительных работ и обычной жизнедеятельности человека. Например, реализация солнечного проекта в округе Сан-Бернардино, по утверждениям, может угрожать экосистеме птиц и диких животных из-за планируемого использования до 1,3 миллиона кубических метров подземных вод, что может негативно сказаться на озере Харпер. В сентябре 2014 года Калифорния приняла Закон об устойчивом управлении подземными водами, который обязывает пользователей рационально использовать подземные воды, учитывая их взаимосвязь с поверхностными водными системами.

Новые тенденции в инженерной/гидрогеологической области подземных вод

С тех пор как тысячи лет назад были пробурены первые скважины, системы подземных вод претерпевали изменения под воздействием человеческой деятельности. Около пятидесяти лет назад вопросы устойчивости этих систем в широком масштабе начали привлекать внимание и стали одним из ключевых направлений гидроинженерного дела. Новые идеи и исследования развивают гидроинженерию в XXI веке, не забывая при этом о сохранении подземных вод.

Топографическое картографирование

Новые достижения в топографической съемке способствуют повышению устойчивости. Топографические карты были усовершенствованы за счет включения радара, способного проникать в землю для точного определения проблемных участков. Кроме того, масштабные вычисления, использующие данные, полученные с карт, в последние годы позволяют углублять знания о подземных водоносных горизонтах. Это сделало возможным создание высокоточных и индивидуализированных моделей водного цикла, что повысило применимость принципов устойчивого использования грунтовых вод к конкретным условиям.

Зависимость от грунтовых вод в США

В Соединенных Штатах 51% питьевой воды поступает из подземных источников. Около 99% сельского населения зависит от подземных вод. Кроме того, 64% общего объема подземных вод страны используется для орошения, а часть – для промышленных процессов и пополнения запасов озер и рек. В 2010 году 22% пресной воды, используемой в США, поступало из подземных вод, а остальные 78% – из поверхностных вод. Подземные воды особенно важны для тех штатов, которые не имеют доступа к пресной воде. Большая часть пресной грунтовой воды, 65%, используется для орошения, а 21% – для нужд населения, главным образом для питья.

Общая гидрогеология

Доменико, П. А. & Schwartz, W., 1998. Физико-химическая гидрогеология, второе издание, Wiley. — Хорошая книга для консультантов, содержит множество примеров из практики и охватывает дополнительные темы (например, тепловой поток, многофазный и ненасыщенный поток). Дрисколл, Флетчер, 1986. Подземные воды и скважины, US Filter / Johnson Screens. — Практическое руководство, иллюстрирующее реальный процесс бурения, обустройства и эксплуатации водяных скважин, однако это коммерческое издание, поэтому часть материала имеет уклон в сторону продукции Johnson Well Screens. Freeze, R. A. & Cherry, J. A., 1979. Подземные воды, Prentice Hall. — Классический учебник, своего рода более ранняя версия книги Domenico и Schwartz. de Marsily, G., 1986. Количественная гидрогеология: Гидрология подземных вод для инженеров, Academic Press, Inc., Орландо, Флорида. — Классическая книга, предназначенная для инженеров с математической подготовкой, но также будет полезна гидрологам и геологам. Хороший и доступный обзор гидрогеологических процессов. Porges, Robert E. & Hammer, Matthew J., 2001. Справочник по гидрогеологии, National Ground Water Association. Написанный практикующими гидрогеологами, этот всеобъемлющий справочник предоставляет краткую и удобную информацию по гидрологическим терминам, уравнениям, важным физическим параметрам и аббревиатурам. Todd, David Keith, 1980. Гидрология подземных вод, второе издание, John Wiley & Sons. — Обзорные примеры и реальные задачи с решениями. Fetter, C. W. Гидрогеология загрязнения, второе издание, Prentice Hall. Fetter, C. W. Прикладная гидрогеология, четвертое издание, Prentice Hall.