24.01.2024

Послание из бездны: разгадка тайны исчезновения подземных вод

Санта Барбара

Уникальное исследование ученых Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представляет собой подробный анализ уровня грунтовых вод, свидетельствующий о его повсеместном снижении по всему миру. Изучив данные миллионов скважин и многочисленные публикации, авторы исследования указывают на острую необходимость принятия мер для решения проблемы истощения водных ресурсов, а также приводят примеры успешных усилий по восполнению запасов водоносных пластов. Рисунок: SciTechDaily.com

Водоносные слои истощаются по всему миру, но успешные примеры показывают, что проактивное управление может обратить эти тенденции вспять.

Уровень грунтовых вод стремительно снижается по всему миру, причем нередко ускоренными темпами. В журнале Nature исследователи Калифорнийского университета в Санта-Барбаре представили наиболее масштабную оценку уровня грунтовых вод по всему миру, охватывающую почти 1700 водоносных горизонтов. Помимо того, что работа бьет тревогу по поводу сокращения водных ресурсов, она предлагает поучительные примеры того, где дела идут хорошо, и как можно решить проблему истощения подземных вод. Это исследование - находка для ученых, политиков и менеджеров по управлению ресурсами, стремящихся понять глобальную динамику подземных вод.

Данные тенденций подземных вод

«...Это исследование было продиктовано любопытством. Мы хотели лучше понять состояние глобальных грунтовых вод, объединив миллионы данных измерений уровня грунтовых вод», - говорит ведущий автор Дебра Перроне, доцент программы экологических исследований Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

Команда собрала данные из национальных и региональных архивов и работы прочих агентств. Исследование заняло три года, два из которых ушли на обработку и сортировку данных. Это было необходимо для того, чтобы обобщить 300 миллионов измерений уровня воды из 1,5 миллиона скважин за последние 100 лет.

Далее предстояло преобразовать этот поток данных в фактические сведения о глобальных тенденциях изменения грунтовых вод. Исследователи изучили более 1200 публикаций, чтобы воссоздать параметры границ водоносных горизонтов в исследуемых регионах и оценить тенденции изменения уровня грунтовых вод в 1693 водоносных слоях.

В этом документе представлен наиболее полный отчет о тенденциях изменения уровня грунтовых вод по всему миру. Темные цвета обозначают изменения на 10 см/год и более. Рисунок: Jasechko et al

Результаты исследования представляют собой наиболее полный на сегодняшний день анализ глобального уровня грунтовых вод и свидетельствуют о широком масштабе их истощения. Работа показала, что уровень грунтовых вод снижается в 71 % водоносных горизонтов. И во многих местах это истощение ускоряется: темпы снижения уровня грунтовых вод в 1980-90-х годах ускорились по сравнению с 2000 годом, что свидетельствует о том, что проблема, которая была серьезной, стала еще хуже. Ускоряющееся истощение происходит почти в три раза быстрее, чем можно было бы предположить в результате случайного стечения обстоятельств.

Ускорение темпов снижения и решения для восстановления

Снижение уровня грунтовых вод чаще всего происходит в более сухом климате, а ускоренное снижение особенно заметно на засушливых и полузасушливых землях, где ведется земледелие, - «интуитивно очевидный вывод», - говорит один из авторов исследования Скотт Ясечко, доцент университетской Бренской Школы экологии и менеджмента. «Но одно дело, когда что-то интуитивно очевидно. Совсем другое - показать, что это происходит в реальных условиях».

В то же время есть места, где уровень стабилизировался или восстановился. Снижение уровня грунтовых вод в 1980-90-х годах произошло в 16 % водоносных систем, по которым у авторов есть исторические данные. Однако такие случаи встречаются в два раза реже, чем можно было бы ожидать на основании случайности.

«Это исследование показывает, что люди могут изменить ситуацию, приложив целенаправленные усилия», - говорит Ясечко.

Возьмем, к примеру, Тусон, штат Аризона. Вода, поступающая из реки Колорадо, используется для пополнения водоносного горизонта в близлежащей долине Авра. Проект сохраняет воду для будущего использования. «Подземные воды часто рассматриваются как банковский счет для хранения воды», - пояснил Ясечко. «Намеренное пополнение водоносных горизонтов позволяет нам сохранить эту воду до нужного момента».

Местные жители тратят огромные деньги на строительство инфраструктуры, чтобы удерживать воду на поверхности земли. Но если у вас есть соответствующая геология, вы можете хранить огромное количество воды под землей, что гораздо дешевле, менее разрушительно и менее опасно. Хранящиеся под землей воды также могут принести пользу экологии региона. Так, во время написания исследовательской справки в 2014 году Перрон обнаружил, что водоносные горизонты могут хранить в шесть раз больше воды в пересчете на доллар, чем наземные водохранилища.

Восполнение подземных вод в Тусоне - благо для местного водоносного горизонта, однако забор воды привел к истощению могучей реки. Колорадо уже редко достигает своей дельты в Калифорнийском заливе. «Эти меры по использованию подземных вод могут иметь отрицательные стороны», - признает Ясечко.

Нормативные меры и технологические решения

Еще один вариант - сосредоточиться на снижении спроса. Часто это связано с регулированием, выдачей разрешений и взиманием платы за использование подземных вод, пояснил Перрон. В настоящее время он изучает водное законодательство на западе США, чтобы понять суть этих разнообразных мер. Исследование показало, что восстановление водоносных горизонтов требует вмешательства независимо от спроса или предложения.

Специалисты дополнили измерения из контрольных скважин данными, полученными в ходе эксперимента по восстановлению гравитации и климата (GRACE). Миссия GRACE состоит из двойных спутников, которые точно измеряют расстояние между собой во время движения по орбите Земли. Таким образом, аппараты обнаруживают небольшие колебания гравитации планеты, что позволяет выявить динамику водоносных горизонтов в больших масштабах.

«Преимущества GRACE в том, что он позволяет нам изучать состояние грунтовых вод там, где у нас нет данных непосредственно на месте», - сказал Перрон. «Наша оценка дополняет GRACE. Там, где у нас есть данные на местах, мы можем исследовать состояние подземных вод на локальном уровне, что является важнейшим показателем при решении проблемы истощения». Как выяснили авторы, локальное разрешение очень важно, поскольку соседние водоносные горизонты могут показывать разные динамики.

При этом динамика уровня подземных вод не дает полной картины. Даже если водоносные горизонты остаются стабильными, отбор подземных вод может повлиять на близлежащие ручьи и поверхностные воды, вызывая их утечку в недра, о чем Перрон и Ясечко подробно рассказали в еще одной статье Nature в 2021 году.

Авторы также проанализировали изменчивость осадков за последние четыре десятилетия для 542 водоносных гли к сокращению пополнения запасов подземных вод и увеличению спроса на них. С другой стороны, изменчивость климата может способствовать восстановлению грунтовых вод там, где условия становятся более влажными.оризонтов. Они обнаружили, что 90 % водоносных горизонтов, в которых наблюдается ускоренное снижение уровня воды, находятся в местах, где условия стали более сухими за последние 40 лет. Эти тенденции, вероятно, привели к сокращению пополнения запасов подземных вод и увеличению спроса на них. С другой стороны, изменчивость климата может способствовать восстановлению грунтовых вод там, где условия становятся более влажными.

Данное исследование мониторинговых скважин дополняет работу Перрона и Ясечко, опубликованную в 2021 году. Оно представляет собой крупнейшую оценку глобальных подземных вод и попало на обложку журнала Science. «Скважины мониторинга сообщают нам информацию о снабжении. А скважины подземных вод сообщают нам информацию о спросе», - говорит Перрон.

«В совокупности они позволяют нам понять, какие скважины уже иссякли, а какие, скорее всего, иссякнут, если уровень грунтовых вод снизится», - добавил Ясечко.

Сейчас Перрон и Ясечко изучают, как уровень грунтовых вод меняется со временем в контексте изменения климата. Сопоставление этих изменений с показателями глубины существующих скважин позволит лучше прогнозировать, где доступ к грунтовым водам находится под угрозой.

«Истощение подземных вод не является неизбежным, - говорит Ясечко. Глобальные исследования с высоким уровнем разрешения позволят ученым и чиновникам понять динамику этого скрытого ресурса».

Источник: scitechdaily.com