Овердрафт
Овердрафт – это процесс извлечения грунтовых вод сверх равновесного уровня водоносного горизонта . Грунтовые воды являются одним из крупнейших источников пресной воды и находятся под землей. Основной причиной истощения подземных вод является чрезмерная откачка подземных вод из подземных водоносных горизонтов. Недостаточное пополнение может привести к истощению, снижая полезность водоносного горизонта для человека. Истощение также может иметь последствия для окружающей среды вокруг водоносного горизонта, такие как сжатие почвы и проседание земли , местные климатические изменения, изменения химического состава почвы и другие ухудшения местной окружающей среды.
Существует два типа урожайности: безопасная урожайность и устойчивая урожайность . Безопасный выход — это количество подземных вод, которое можно забрать в течение определенного периода времени, не превышая долгосрочную скорость пополнения и не влияя на целостность водоносного горизонта. [2] [3] Устойчивый выход – это объем добычи воды, который можно поддерживать в течение неопределенного времени без негативных гидрологических воздействий, принимая во внимание как скорость пополнения запасов , так и воздействие на поверхностные воды . [4]
Существует два типа водоносных горизонтов: напорные и неограниченные. В напорных водоносных горизонтах имеется вышележащий слой, называемый аквитардом , который содержит непроницаемые материалы, через которые невозможно извлечь грунтовые воды. В безнапорных водоносных горизонтах водоупор отсутствует, и грунтовые воды могут свободно извлекаться с поверхности. Извлечение подземных вод из незамкнутых водоносных горизонтов похоже на заимствование воды: ее необходимо пополнять с надлежащей скоростью. Подзарядка может происходить посредством искусственной подпитки и естественной подпитки. [5]
Механизм
[ редактировать ]При добыче грунтовых вод из водоносного горизонта конус депрессии создается вокруг скважины . По мере продолжения забора воды радиус конуса увеличивается. Извлечение слишком большого количества воды (перерасход) может привести к негативным последствиям, таким как падение уровня грунтовых вод , проседание земли и потеря поверхностных вод, попадающих в ручьи. В крайних случаях запасы воды, которые естественным образом пополняют водоносный горизонт, берутся непосредственно из ручьев и рек, что снижает уровень воды в них. Это влияет на дикую природу, а также на людей, которые могут использовать воду для других целей. [5]
Естественный процесс пополнения водоносного горизонта происходит за счет просачивания поверхностных вод. Водоносный горизонт можно пополнять искусственно, например, путем закачки очищенной воды из проектов по управлению сточными водами непосредственно в водоносный горизонт. Примером может служить водный округ округа Ориндж в Калифорнии . [6] Эта организация забирает сточные воды, очищает их до надлежащего уровня, а затем систематически закачивает обратно в водоносные горизонты для искусственной подпитки.
Поскольку каждый бассейн подземных вод пополняется с разной скоростью в зависимости от осадков , растительного покрова и методов сохранения почвы , количество подземных вод, которые можно безопасно перекачивать, сильно различается в зависимости от региона мира и даже внутри провинций. подземных Некоторым водоносным горизонтам требуется очень много времени для пополнения запасов, и, таким образом, чрезмерная загрузка может эффективно истощить некоторые запасы вод . Проседание происходит, когда излишки грунтовых вод извлекаются из пород, которые при насыщении выдерживают больший вес. Это может привести к снижению пропускной способности водоносного горизонта. [7]
Изменения в наличии пресной воды происходят в результате естественной и человеческой деятельности (в сочетании с изменением климата ), которая влияет на структуру пополнения подземных вод. Одним из ведущих видов антропогенной деятельности, вызывающих истощение подземных вод, является орошение . Примерно 40% глобального орошения поддерживается за счет грунтовых вод, а орошение является основным видом деятельности, приводящим к потере запасов подземных вод в США. [8]
По всему миру
[ редактировать ]| Страна | Миллион гектаров (1 × 10 6 га (2,5 × 10 6 акров)) орошается грунтовыми водами |
|---|---|
| Индия | 26.5 |
| олень | 10.8 |
| Китай | 8.8 |
| Пакистан | 4.9 |
| Иран | 3.6 |
| Бангладеш | 2.6 |
| Мексика | 1.7 |
| Саудовская Аравия | 1.5 |
| Италия | 0.9 |
| Турция | 0.7 |
| Сирия | 0.6 |
| Бразилия | 0.5 |
Этот рейтинг основан на количестве подземных вод, которые каждая страна использует для сельского хозяйства. Эта проблема становится серьезной в Соединенных Штатах (особенно в Калифорнии), но она является постоянной проблемой и в других частях мира, например, это было зарегистрировано в Пенджабе , Индия, в 1987 году. [10]
Соединенные Штаты
[ редактировать ]В США около 800 км. 3 Подземные воды были истощены в 20 веке. [8] Развитие городов и других районов с высокой концентрацией водопользования создало нагрузку на ресурсы подземных вод. В сценариях после завершения разработки взаимодействие между поверхностными и подземными водами снижается; происходит меньшее перемешивание между поверхностью и недрами ( переток ), что приводит к истощению запасов грунтовых вод. [11]
На скорость пополнения подземных вод также влияет повышение температуры, которое увеличивает поверхностное испарение и транспирацию, что приводит к снижению содержания воды в почве. [12] Антропогенные изменения в хранении подземных вод, такие как чрезмерная откачка и истощение грунтовых вод в сочетании с изменением климата, эффективно меняют гидросферу и влияют на экосистемы, которые зависят от подземных вод. [13]
Ускоренное истощение подземных резервуаров
[ редактировать ]Согласно отчету гидролога-исследователя Леонарда Ф. Коникова за 2013 год. [14] По данным Геологической службы США (USGS), истощение водоносного горизонта Огаллала в период 2001–2008 годов составляет около 32% от совокупного истощения за весь 20 век. [14] В Соединенных Штатах крупнейшими потребителями воды из водоносных горизонтов являются сельскохозяйственное орошение , а также добыча нефти и угля . [15] По словам Коникова, «кумулятивное общее истощение подземных вод в Соединенных Штатах ускорилось в конце 1940-х годов и продолжалось с почти постоянной линейной скоростью до конца столетия. Помимо широко признанных экологических последствий, истощение подземных вод также отрицательно влияет на долгосрочное устойчивость запасов подземных вод, чтобы помочь удовлетворить потребности страны в воде». [14]
Как сообщает другое исследование Геологической службы США по забору воды из 66 основных водоносных горизонтов США, тремя крупнейшими видами использования воды, добываемой из водоносных горизонтов, были орошение (68%), общественное водоснабжение (19%) и «самоснабжение промышленности» (4%). Остальные 8% забора подземных вод предназначались для «бытового использования, аквакультуры , животноводства , горнодобывающей промышленности и использования термоэлектрической энергии ». [16]
Воздействие на окружающую среду
[ редактировать ]Извлечение подземных вод для использования в водоснабжении снижает общий уровень грунтовых вод, уровень, на котором находятся грунтовые воды на определенной территории. Понижение уровня грунтовых вод может уменьшить речной 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 провалов или проседанию грунтовых вод. Чрезмерное заполнение приводит к тому, что давление в известняковых оболочках становится нестабильным, а отложения обрушиваются, образуя провал. [18] Чрезмерная загрузка в прибрежных регионах может привести к снижению давления воды в водоносном горизонте, что приведет к проникновению соленой воды. Если соленая вода загрязняет пресноводный водоносный горизонт, этот водоносный горизонт больше не может использоваться в качестве надежного источника пресной воды для поселений и городов. Искусственная подпитка может вернуть давление пресной воды, чтобы остановить проникновение соленой воды. Однако этот метод может оказаться экономически неэффективным и недоступным из-за высокой стоимости процесса. [18]
Когда водоносные горизонты или скважины с грунтовыми водами испытывают перерасход, концентрации химических веществ в воде могут измениться. Такие химические вещества, как кальций, магний, натрий, карбонат, бикарбонат, хлорид и сульфат, можно найти в источниках подземных вод. [19] Изменения качества воды в результате чрезмерного использования воды могут сделать ее небезопасной для потребления человеком; приведение источников подземных вод в непригодность для использования в качестве источника питьевой воды. [19]
Перерасход может также повлиять на организмы, живущие в водоносных горизонтах подземных вод, известные как тигобионты . Потеря среды обитания для этих существ из-за перерасхода привела к сокращению биоразнообразия в определенных районах. [20]
Экологические последствия овердрафта включают в себя:
- Проседание грунтовых вод : обрушение земли из-за отсутствия опоры (из-за истощения воды). Первый зарегистрированный случай оседания земель произошел в 1940-х годах. Проседание земли может быть как небольшим, как обрушение местной земли, так и большим, как опускание земель всего региона. Проседание может привести к повреждению инфраструктуры и экосистем.
- Понижение уровня грунтовых вод , что затрудняет попадание воды в ручьи и реки.
- Сокращение объема воды в ручьях и озерах, поскольку запасы воды в них уменьшаются из-за того, что поверхностные воды пополняют водоносные горизонты.
- Воздействие на животных, которые зависят от ручьев и озер как источника пищи, воды и среды обитания
- Ухудшение качества воды
- Увеличение стоимости воды для потребителя из-за более низкого уровня грунтовых вод — для перекачки воды с большей глубины требуется больше энергии, поэтому эксплуатационные расходы увеличиваются для компаний, которые перекладывают расходы на потребителя.
- Снижение урожайности сельскохозяйственных культур из-за нехватки воды
- Нарушения круговорота воды
Проседание грунтовых вод
[ редактировать ]Социально-экономические эффекты
[ редактировать ]Овердрафт имеет социально-экономические последствия из-за неравенства в затратах, которое увеличивается по мере падения уровня грунтовых вод . Поскольку уровень грунтовых вод падает, для достижения воды в водоносном горизонте требуются более глубокие скважины. Для этого необходимо не только углубить уже существующие колодцы, но и рыть новые. [22] Оба процесса являются дорогостоящими. Исследование, проведенное в Пенджабе, показало, что высокая стоимость технологий для обеспечения доступа к воде наносит больший ущерб мелким землевладельцам, чем крупным землевладельцам, поскольку у крупных землевладельцев больше ресурсов «для инвестиций в технологии». [22] Таким образом, мелкие землевладельцы, которые традиционно имеют более низкий доход, чем крупные землевладельцы, не могут извлечь выгоду из технологии, обеспечивающей 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 сельскохозяйственных культур.
Кроме того, овердрафт имеет социально-экономические последствия из-за ранее существовавших законов об ассигнованиях . Права предварительного присвоения предусматривают, что тот, кто первым воспользуется водой из источника воды, сохранит за собой право на воду. Эти права приводят к социально-экономическому неравенству, поскольку предприятия и/или более крупные землевладельцы, имеющие более высокий доход, могут сохранять свои права на воду. Между тем, новые предприятия или более мелкие землевладельцы имеют меньший доступ к воде, что приводит к уменьшению возможностей получения прибыли. [22] Из-за этого неравенства мелкие фермеры в Пенджабе, имеющие меньше прав на воду, склонны выращивать кукурузу или менее продуктивный рис; в то же время более крупные землевладельцы в Пенджабе могут использовать больше земли для выращивания риса, поскольку у них есть доступ к воде. [22]
Возможные решения
[ редактировать ]Искусственная перезарядка:
Поскольку подпитка — это естественное пополнение запасов воды, искусственное пополнение — это искусственное пополнение подземных вод, хотя для пополнения имеется лишь ограниченное количество подходящей воды. [23]
Методы сохранения воды:
Другие решения включают внедрение методов водосбережения для уменьшения овердрафта. К ним относятся улучшение управления для обеспечения надлежащего управления водными ресурсами, стимулирование водосбережения, совершенствование методов ведения сельского хозяйства для обеспечения эффективного использования воды, изменение рациона питания на культуры, требующие меньше воды, и инвестиции в инфраструктуру, которая использует воду устойчиво. [24] Штат Калифорния внедрил некоторые методы экономии воды из-за засухи в штате. Некоторые из их методов включают запреты на: 1) полив на открытом воздухе, который протекает по тротуарам или другим твердым поверхностям, не впитывающим воду, 2) мытье транспортных средств шлангом, не имеющим запорной ручки, 3) полив в течение 48 часов после четверть дюйма дождя и 4) полив коммерческой/промышленной декоративной травы. [25]
Стимулирование водосбережения:
Методы, используемые в Калифорнии в чрезвычайных ситуациях, полезны; однако стимул для выполнения этих задач важен. В городе Спокан действует программа по стимулированию создания устойчивых ландшафтов под названием SpokaneScape. Эта программа стимулирует создание водосберегающих ландшафтов, предлагая домовладельцам кредит в размере до 500 долларов на оплату коммунальных услуг, если они адаптируют свои дворы к водосберегающим установкам. [26]
См. также
[ редактировать ]- Конус депрессии
- Пополнение подземных вод
- Проседание грунтовых вод
- Питьевая вода
- Чрезмерная эксплуатация
- Водный кризис
- Человеческое перенаселение
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лю, Пан-Вэй; Фамильетти, Джеймс С.; Перди, Адам Дж.; Адамс, Кира Х.; и др. (19 декабря 2022 г.). «Во время мегазасухи истощение грунтовых вод в Центральной долине Калифорнии ускоряется» . Природные коммуникации . 13 (7825): 7825. Бибкод : 2022NatCo..13.7825L . дои : 10.1038/s41467-022-35582-x . ПМЦ 9763392 . ПМИД 36535940 . ( Архив самой диаграммы)
- ^ «Безопасный выход» . Фонд водного образования . 22 июня 2020 г. Проверено 19 декабря 2022 г.
- ^ «Безопасный выход» . Solareis.anl.gov . Проверено 19 декабря 2022 г.
- ^ Рудестам, Кирстен; Лэнгридж, Рут (2014). «Устойчивая доходность в теории и практике: соединение научного и общепринятого языка» . Подземные воды . 51 (С1): 90–99. Бибкод : 2014GrWat..52S..90R . дои : 10.1111/gwat.12160 . ПМИД 24479641 . S2CID 34864194 — через онлайн-библиотеку Wiley.
- ^ Перейти обратно: а б Ласситер, Эллисон (июль 2015 г.). Проблемы и решения устойчивых водных ресурсов из Калифорнии . Калифорнийский университет. ISBN 9780520285354 .
- ^ «Водный район округа Ориндж» .
- ^ «Проседание земли» . Школа водных наук Геологической службы США . Геологическая служба США. 20 августа 2015 г. Архивировано из оригинала 10 ноября 2013 г. Проверено 6 апреля 2013 г.
- ^ Перейти обратно: а б Кондон, Лаура Э.; Максвелл, Рид М. (июнь 2019 г.). «Моделирование чувствительности суммарного испарения и речного стока к крупномасштабному истощению грунтовых вод» . Достижения науки . 5 (6): eaav4574. Бибкод : 2019SciA....5.4574C . дои : 10.1126/sciadv.aav4574 . ISSN 2375-2548 . ПМК 6584623 . ПМИД 31223647 .
- ^ Блэк, Мэгги (2009). Атлас Воды . Беркли и Лос-Анджелес, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета. п. 62. ИСБН 9780520259348 .
- ^ Дхаван, Б.Д. (1993). «Истощение подземных вод в Пенджабе». Экономический и политический еженедельник . 28 (44): 2397–2401. JSTOR 4400350 .
- ^ Софоклеус, Мариос (февраль 2002 г.). «Взаимодействие между подземными и поверхностными водами: состояние науки» . Гидрогеологический журнал . 10 (1): 52–67. Бибкод : 2002HydJ...10...52S . дои : 10.1007/s10040-001-0170-8 . ISSN 1431-2174 . S2CID 2891081 .
- ^ Грин, Тимоти Р.; Танигучи, Макото; Коой, Хенк; Гурдак, Джейсон Дж.; Аллен, Диана М.; Хискок, Кевин М.; Трейдель, Хольгер; Аурели, Алиса (август 2011 г.). «Под поверхностью глобальных изменений: влияние изменения климата на грунтовые воды» . Журнал гидрологии . 405 (3–4): 532–560. Бибкод : 2011JHyd..405..532G . doi : 10.1016/j.jгидроl.2011.05.002 . S2CID 18098122 .
- ^ Орельяна, Фелипе; Верма, Парикшит; Лохайд, Стивен П.; Дейли, Эдоардо (сентябрь 2012 г.). «Мониторинг и моделирование взаимодействия воды и растительности в экосистемах, зависящих от подземных вод: ЭКОСИСТЕМЫ, ЗАВИСИМЫЕ ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ» . Обзоры геофизики . 50 (3). дои : 10.1029/2011RG000383 .
- ^ Перейти обратно: а б с Коников, Леонард Ф. Истощение подземных вод в Соединенных Штатах (1900–2008 гг.) (PDF) (Отчет). Отчет о научных исследованиях. Рестон, Вирджиния: Министерство внутренних дел США, Геологическая служба США. п. 63.
- ^ Забаренко, Дебора (20 мая 2013 г.). «Падение уровня подземных вод в США ускорилось: Геологическая служба США» . Вашингтон, округ Колумбия: Рейтер.
- ^ Мопен, Молли А. и Барбер, Нэнси Л. (июль 2005 г.). «Оценочный отбор из основных водоносных горизонтов в Соединенных Штатах, 2000 г.» . Геологическая служба США. Циркуляр 1279.
- ^ Зекцер, С.; Лоаисига, штат Ха; Вольф, JT (1 февраля 2005 г.). «Воздействие перерасхода грунтовых вод на окружающую среду: отдельные тематические исследования на юго-западе США» . Экологическая геология . 47 (3): 396–404. дои : 10.1007/s00254-004-1164-3 . S2CID 129514582 .
- ^ Перейти обратно: а б Брукс, Кеннет Н.; Ффоллиотт, Питер Ф.; Магнер, Джозеф А. (2013). Гидрология и управление водоразделами (4-е изд.). Эймс, Айова: Уайли-Блэквелл. п. 184. ИСБН 978-0-4709-6305-0 .
- ^ Перейти обратно: а б Сабер, Мохамед; Ахмед, Омар; Кехейла, Эсмат А.; Мохамед, Мохамед Абдель-Монейм; Кантуш, Самех А.; Абдель-Фаттах, Мохаммед; Суми, Тецуя (2022). Оценка воздействия чрезмерного использования подземных вод на качество воды и деградацию окружающей среды в районе Фарес, Асуан, Египет . Наука о стихийных бедствиях и инженерия по смягчению последствий: отчеты DPRI. Спрингер. стр. 529–551. дои : 10.1007/978-981-16-2904-4_22 . ISBN 978-981-16-2903-7 . S2CID 242196835 .
{{cite book}}:|website=игнорируется ( помогите ) - ^ Девитт, Томас (5 августа 2019 г.). «Существа глубокого карста» . Американский учёный .
- ^ Информационный бюллетень Геологической службы США-165-00, декабрь 2000 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Саркар, Аниндита (12–18 февраля 2011 г.). «Социально-экономические последствия истощения ресурсов подземных вод в Пенджабе: сравнительный анализ различных ирригационных систем» . Экономический и политический еженедельник . стр. 61–63. JSTOR 27918148 . Проверено 25 ноября 2023 г.
- ^ Ласситер, Эллисон (2015). Устойчивая вода . Окленд, Калифорния: Издательство Калифорнийского университета. п. 186.
- ^ Кузен Эртарин; Кавамура, AG; Роузгрант, Марк В. (2019). «Стратегии повышения водной, продовольственной и пищевой безопасности» . Чикагский совет по глобальным вопросам : 28 – через JSTOR.
- ^ «Портал по сохранению воды - Положение об охране чрезвычайных ситуаций | Совет по контролю за водными ресурсами штата Калифорния» . www.waterboards.ca.gov . Проверено 25 ноября 2023 г.
- ^ «СпоканСкайп» . my.spokanecity.org . 30 апреля 2020 г. Проверено 25 ноября 2023 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Опасности откачки подземных вод , проблемы науки и техники
