Запасы подземных вод пополняются за счет чего
Каким образом возобновляются запасы подземных вод
Строительство водозаборных сооружений для добычи подземных вод, к которым относятся скважины на воду, нарушает природное состояние водоносных пластов. Поэтому гидрогеологи делят водоносные горизонты на два типа:
От производительности водозаборных комплексов зависят эксплуатационные запасы. При этом активная откачка подземных вод не означает их снижения, так как при извлечении воды в водоносном горизонте возникает депрессионная воронка, и начинается активный приток инфильтрационных вод из поверхностных водоемов, соседних водонасыщенных пластов, грунтовых вод и родниковых стоков.
Как пополняются водоносные пласты
Источниками притока воды в водовмещающие породы являются:
Последний пункт вызывает много вопросов у людей, далеких от сферы гидрогеологических наук. Каким образом искусственно увеличивают объем подземных вод? Неужели выполняют бурение скважины и начинают закачивать воду обратно под землю?
Искусственная подпитка водоносных горизонтов
Основной путь искусственного пополнения водоносных горизонтов заключается в увеличении количества источников инфильтрации: бассейнов и каналов. В некоторых случаях для ускорения инфильтрационных процессов осуществляют инъекции в пласт через пробуренные скважины. Большинство крупных водозаборов функционирует именно благодаря привлеченным в эксплуатационный горизонт водам.
Внешние источники участвуют в производительности водозабора. К ним относятся:
Все больше и больше дачных хозяйств используют в качестве источников автономного водоснабжения скважины. По мере ввода их в эксплуатацию водоносные горизонты постепенно истощаются — это обусловлено многочисленностью скважин. Поэтому важен расчет баланса между эксплуатационным запасом подземных вод и потребностью в воде.
Появление неучтенных подземных водозаборов для организации централизованных систем водоснабжения нарушает баланс между объемом потребления подземных вод и их возобновлением. Неравномерное распределение источников приводит к необходимости проведения мероприятий по искусственному пополнению водоносных горизонтов.
Подземные воды: запасы, добыча, значение и проблемы
Подземные воды – это все воды, находящиеся под поверхностью Земли, где они занимают пустоты в почвах или геологических пластах. Они пополняются за счет дождя, тающего снега и другой воды, которая просачивается через почву, песок или трещины на дорогах.
Запасы
Подземные воды составляют около 20% от мировых запасов пресной воды, и около 1% от всей гидросферы Земли, включая всю океаническую воду и ледники.
Ученые говорят, что Земля может быть не единственной планетой в Солнечной системе, содержащей подземные воды. Возможно, они давно существуют на Марсе. Подземные воды могут также быть на Европе, шестом спутнике Юпитера.
Крупнейшим скоплением подземных вод является Западно-Сибирский артезианский бассейн, площадью 3 млн. км². Водоносные слои в нем начали образовываться еще в мезозойской эре.
Образование
Подземные воды отличаются от поверхностных вод, которые встречаются в больших объектах гидросферы, таких как океаны, моря, озера, или реки. Как поверхностные, так и подземные воды связаны через гидрологический цикл (непрерывный круговорот воды в природе).
Большинство подземных вод образуются от осадков. Они проникают ниже поверхности земли в почву. Когда почвенная зона становится насыщенной, вода просачивается ниже. Зона насыщения находится там, где все пустоты заполнены водой. Существует также зона аэрации, где пространство частично занято водой и частично воздухом.
Подземные воды продолжают спускаться ниже, пока, на некоторой глубине, они не достигнут горной породы. Вода накапливается в порах и трещинах, и образует водоносный горизонт, также называемый аквифером. Процесс осаждения, благодаря которому увеличиваются объемы подземных вод, известен как подпитка. В общем, подпитка происходит только во время сезона дождей в тропическом климате или зимой в умеренном климате. Как правило, от 10 до 20% осадков попадают в водоносные горизонты.
Подземные воды постоянно движутся. По сравнению с поверхностными водами это происходит очень медленно. Фактическая скорость движения зависит от пропускной способности и объема водоносного горизонта. Естественный отток грунтовых вод происходит через источники и русла рек, когда давление грунтовых вод выше атмосферного давления вблизи поверхности земли. Внутреннюю циркуляцию нелегко определить, но вблизи уровня грунтовых вод среднее время круговорота воды может составлять год или меньше, тогда как в глубоких водоносных горизонтах этот процесс длится тысячи лет.
Значение
Подземные воды играют жизненно важную роль в развитии засушливых и полузасушливых зон. Они способны поддерживать огромные сельскохозяйственные, и промышленные предприятия, которые иначе не могли бы существовать. Особенно удачным является то, что водоносные горизонты, предшествующие образованию пустынь, с течением времени не подвергаются воздействию засушливости.
Чтобы вывести грунтовые воды из-под земли на ее поверхность, ученые и инженеры используют специальные добывающие скважины.
Некоторые подземные воды растворяют вещества из горных пород и могут содержать следы древней морской воды. Однако большинство подземных вод не содержат патогенных организмов, и очистка для хозяйственного или промышленного использования не требуется. Кроме того, запасы подземных вод не подвержены серьезному воздействию коротких засух и доступны во многих областях, которые не имеют надежных источников поверхностных вод.
Проблемы
Ученые беспокоятся о проблемах, которые возникают при использовании слишком больших объемов подземных вод для повседневной жизни, в том числе дома, бизнеса и сельского хозяйства. Одна из проблем заключается в том, что эти воды все больше и больше удаляются от поверхности Земли. Люди используют подземные воды быстрее, чем дождь или таяние снега могут пополнить водоносные горизонты. Это означает, что необходимо глубже производить бурение, чтобы добраться до источника.
Это может показаться не очень важным, но когда грунтовые воды настолько далеки, почва и глина, составляющие поверхностный слой Земли, подвергаются напряжению и становятся слабыми. В конце концов, может упасть слабая поверхность и образоваться воронка. Воронки являются серьезной проблемой и встречаются в районах, где происходила добыча глубоких подземных вод.
Основные источники подземных вод
Уникальность Земли заключается в наличии огромного объема воды не только в открытых водоемах, но и под земной корой. 60 миллионов кубических километров – такую цифру называют гидрогеологи.
Что такое источники и месторождение?
Источники подземных вод – это родники, ключи или гейзеры, которые при определенной структуре рельефа самостоятельно находят выходы на поверхность земли.
Месторождение – это объем влаги на водоносном горизонте, который ограничен пространством, благоприятным для промышленного отбора.
Контуры для добычи этого уникального ископаемого устанавливаются с учетом экологических проблем, с выделением охранных зон.
Откуда берутся, каковы механизмы пополнения?
Подземные воды, несмотря на длительную эксплуатацию их ресурсов, восстанавливают свой объем с помощью нескольких естественных источников:
Каков главный?
Ключевая роль в пополнении подземных вод в любое время года принадлежит осадкам из атмосферы.
Они поступают вглубь почвы сразу после выпадения или постепенно перетекают из открытых водоемов.
Степень проникания зависит от продолжительности и интенсивности осадков: при сильных, но кратковременных осадках влага испаряется, не успев проникнуть вглубь.
Продолжительные осенние дожди дают хорошее наполнение запасов. Самой благоприятной предпосылкой для пополнения является таяние снежного покрова весной, особенно при его затяжном характере.
Схема образования
Реки и озера в недрах земли образуются благодаря способности осадочных пород пропускать и фильтровать поступающую в них воду.
Горные пласты, хорошо пропускающие сквозь себя воду, называются водопроницаемыми. Они состоят из:
Водоупорные породы состоят из гранита и других плотных минералов, на этих пластах происходит основное скопление воды. Их пропускная способность крайне низкая, но влага способна пробить себе дорогу дальше через микротрещины и поры.
Для характеристики подземных вод важно учитывать уровень, на котором они залегают. По глубине расположения они подразделяются на:
Почвенные воды – сезонное явление, проникают на небольшую глубину, питаясь атмосферными осадками. Они испаряются под солнечными лучами, впитываются растениями. Вглубь переходят только при обильных поступлениях влаги.
Верховодка образуется на уплотненных глинистых и суглинистых почвах. После продолжительных дождей или бурного таяния снега глина разбухает и препятствует дальнейшему проникновению осадков. Глубина залегания – 1-2,5 м.
Основные запасы подземных вод располагаются на двух водоносных горизонтах. Первый постоянный слой образуют грунтовые воды, которые полностью насыщают собой пространство между песчинками, галькой.
Наполненность горизонта меняется от количества выпавших осадков и активности человеческой деятельности.
Следующий водоносный горизонт заключен между пластами водоупорных пород. Подпитку получает от грунтовых вод, нашедших путь сквозь трещины гранита, базальта.
Глубоко расположенные воды второго горизонта (до 1000 м) находятся под большим давлением, вырываются на поверхность фонтаном, с сильным напором.
При бурении промышленных скважин давление падает, иногда наблюдается незначительное снижение запасов бассейна.
Заключение
Под землей вода собирается в хранилища, получая серьезную подпитку от выпадающих дождей и, в меньшем объеме, из других источников.
Структурное разнообразие пород дает возможность влаге просачиваться или скапливаться в недрах на определенной глубине. Состав воды зависит от степени насыщенности солями и минералами, присутствующими в почвах местности.
Подземные воды: что это такое и как они образуются, причины образования, структура жидкости, особенности
Переоценить значение водных источников под землей невозможно. Они необходимы человечеству практически как воздух. Но это не значит, что каждый житель нашей планеты достаточно хорошо осведомлен о подземных водах, знает, что это такое, может дать определение и классифицировать их на подвиды. Поэтому это сделаем мы в нашей статье.
Понятие термина
Это водный раствор, который находится в верхней части земной коры. По своему агрегатному состоянию это может быть жидкость, лед или пар, переход из одной формы в другую – естественный процесс, происходящий в более глубоких грунтовых слоях. Наука, которая это изучает, называется гидрогеология. Наиболее часто мы встречаемся с большими потоками, которые влияют на течение рек, их полноту, а также с ключами и источниками – небольшими струями влаги. Но не все они выходят на поверхность, намного чаще они остаются в грунте. В таком случае люди давно научились выкапывать в водоносном почвенном слое углубление, чтобы получать ресурс. Таким образом работают колодцы, скважины и другие точки водозабора.
Химический состав и особенности подземных вод
Неверно считать, что для всех проб, взятых в любом водоеме или в грунте, будет правильна единая формула – Н2О. Конечно, на молекулярном уровне именно соединение молекул кислорода и водорода дают знакомую нам всем жидкость. Но на практике, количество примесей и загрязнений может варьироваться в зависимости от состава горных пород. В среднем такой водный раствор содержит около 60 микроэлементов плюс микроорганизмы. Одни из них полезны для организма, от других нужно избавляться перед употреблением, производить фильтрацию. По тому, как много минеральных веществ содержится, ресурс делят на уровни минерализации:
Как правило, чем глубже пролегает источник, тем более он насыщен солями и иными веществами. Поэтому часто на поверхности можно встретить питьевой ключ, который в недрах земли намного солонее.
Интересен химический состав минеральных вод, их также называют лечебными или целебными. В них содержится большая концентрация минералов, полезных для организма. Так различают бюветы углекислые, как Боржоми или в Кисловодске (наиболее популярные), а также радоновые, азотные, сероводородные. Их принимают не только в качестве напитка, но и для обертываний, гидротерапии.
Каково значение подземных вод для человека
Переоценить его практически невозможно. Что еще больше вызывает недоумение – почему человечество так небрежно относится к источнику жизни на Земле, загрязняет реки и озера, отравляет грунт различными химикатами, неразлагающимся мусором. В зависимости от того, к какой категории относится водный ресурс, он имеет такое значение:
Таким образом, большинство сфер нашей жизни так или иначе связано с этим водным ресурсом, даже (или особенно?) если вы проживаете в городе и не задумываетесь, откуда появляется холодное водоснабжение.
Как называются подземные воды по видам
Классификация, которую мы приведем ниже, зависит от глубины залегания ресурса. Кроме того, используют разделение на три класса, их называют горизонтами:
Еще одна интересная классификация затрагивает в основном глубинные слои. Там жидкость может быть молодой, только что созданной, или реликтовой. Вторая не значит, что она испорченная. Содержащиеся в ней вещества могут ее отлично законсервировать.
А теперь переходим к видам вод, в зависимости от глубины залегания.
Почвенные
Это влага, которая находится в верхнем слое почвы. Ее также называют верховодка. Она буквально питает грунт. Ее частицы пребывают в подвешенном состоянии, то есть они не имеют твердую опору, поэтому у них нет течений. Особенно большое количество такой жидкости скапливается при весеннем таянии снега. Она является самой полезной, чистой, необходимой для сельскохозяйственных культур и для лесных растений.
Грунтовые
Они тоже находятся в верхнем слое земной коры, но на небольшом углублении. Они пополняются не источниками изнутри, а дождевыми осадками. Если их выпало избыточное количество, то местность часто подтапливается, что можно обнаружить по повышенной влажности в погребах. Если они выходят на поверхность, то мы говорим о том, что бьет ключ, течет ручей. Обычно они пригодны для питья. При избыточном количестве потоки скапливаются в одном месте, где они образуют водоем – болото или озеро, пруд естественного происхождения.
Истощение запасов грунтовых вод: кризис с питьевой водой, землетрясения и провалы в городах
Только 0,023% массы Земли приходится на воду, а 97,5% — это соленая вода. Запасы пресной воды невелики, и почти 70% из них заключены во льдах Арктики и Антарктики, которые активно тают, — а пресная вода превращается в соленую. Самые значительные запасы пригодной для использования пресной воды заключены под землей. Во многих регионах, в особенности там, где поверхностной воды недостаточно, грунтовые воды являются единственным источником удовлетворения бытовых, сельскохозяйственных и промышленных потребностей в питьевой и технической воде. Однако люди используют эти ресурсы слишком активно. На данный момент человечество выкачивает из-под земли в 3,5 раза больше воды, чем успевает образоваться. «Хайтек» рассказывает, как из-за истощения запасов грунтовых вод проседают города, чем еще грозит слишком активное использование подземных водоносных слоев и как на этот процесс влияет глобальное потепление.
Читайте «Хайтек» в
Откачка грунтовых вод происходит очень быстро. Недавно ученые подсчитали, что в XX веке только США потеряли 800 куб. км грунтовых вод. Этого объема хватит, чтобы покрыть штаты Монтана, Айдахо, Вайоминг, Невада, Юта, Колорадо, Аризона и Нью-Мексико, а также большую часть Калифорнии. За это время водные горизонты пополнились примерно на 220 куб. км грунтовых вод.
В Индии ситуация еще хуже — на севере страны подземные воды выкачиваются в 54 раза быстрее, чем их запасы пополняются. При этом в большинстве регионов Земли зависимость от грунтовых вод очень высока. Например, в той же Индии на воду, выкачиваемую из-под земли, приходится до 85% всего потребления пресной воды. В Европе этот показатель составляет 75%. В России он значительно ниже — около 20% от всей потребности в пресной воде.
Рано или поздно грунтовые воды закончатся. Когда это произойдет, геологи точно сказать не могут. Предполагается, что запасы грунтовых вод естественным образом пополняются за счет дождей и снегопадов: вода просачивается через почву и попадает в водные горизонты.
Однако большое количество дождевой воды испаряется и попадает в атмосферу раньше, чем оказывается под землей. Большой вклад в замедление этого процесса вносит строительство непроницаемых для влаги дорог, зданий и бетонных конструкций.
Последствия откачивания грунтовых вод
Активное истощение водных горизонтов несет вред как окружающей среде, так и людям, которые используют грунтовые воды. Когда запасы пополняются медленнее, чем вода выкачивается, рано или поздно фермерам может не хватить ее для полива полей. Если проблема приобретает большой масштаб, она может привести к серьезным экономическим и гуманитарным последствиям. Однако это не единственные последствия истощения подземных вод.
Проседание водоносного горизонта
При проседании водоносного горизонта уровень грунтовых вод, на котором их можно обнаружить и добыть, уходит глубже в землю.
Например, до понижения скважины глубиной в 80 м было достаточно для непрерывного обеспечения водой одного домохозяйства или фермы. Однако после понижения водный горизонт ушел глубже в землю, и чтобы добраться до него, необходимо увеличить глубину скважины — соответственно, понести дополнительные затраты. Кроме того, в результате проседания грунтовых вод их объем может снизиться.
Снижение уровня воды в реках и озерах
Уровень грунтовых вод напрямую связан с уровнем воды в реках и озерах, расположенных в окрестностях подземного бассейна. Значительная часть воды в наземных водоемах поступает из грунтовых бассейнов.
Выкачивание грунтовых вод может изменить то, как вода из подземного горизонта поступает в русло. Результатом становится постепенное обмеление рек и озер, что приводит к гибели прибрежной растительности и изменению среды обитания диких животных. Недавно ученые подсчитали, что выкачивание грунтовых вод за последние 100 лет привело к падению потока воды в реках США на 50%.
Ухудшение качества воды
Не все грунтовые воды пресные — вода на очень большой глубине и в водных горизонтах, залегающих под дном океанов, соленая. Фактически существует около 12,9 млн куб. км соленой воды и 10,5 млн куб. км пресной.
В естественных условиях граница между пресными и солеными водными горизонтами достаточно стабильна, однако в условиях активного выкачивания подземных вод проседание горизонта может привести к ее разрушению.
Кроме того, грунтовые воды подвержены химическому загрязнению — бензин, нефть, дорожные соли и химикаты проникают в водные горизонты через почву вместе с дождем и со временем делают ее непригодной для полива и питья.
Бензин, нефть, масло и другие продукты переработки углеводородов часто хранятся под землей в специальных металлических резервуарах. Например, на каждой заправочной станции установлены подземные канистры, в которых хранятся бензин, дизельное топливо и солярка. Металл подвержен коррозии, в результате которой образуются трещины и утечки. Если нефтепродукт попадет в грунтовые воды, это может привести к серьезному загрязнению.
Другой потенциальный загрязнитель — свалки бытовых отходов. Для сокращения вреда экологии такие объекты должны быть иметь нижний защитный слой из бетона. Однако если такой слой отсутствует (как в случае с незаконными свалками) или треснул, кислота из автомобильных аккумуляторов, краска, бытовые чистящие средства и другие химикаты могут попасть в грунтовые воды.
Уменьшение объема грунтовых вод приводит к проседанию почвы. В некоторых районах, где темпы откачки особенно высоки, почва под жилыми домами, административными зданиями и объектами инфраструктуры проседает на десятки сантиметров в год. Это приводит к разрушению дорог, перебоям в водоснабжении и электроснабжении и разрушению жилых домов.
В 1950-х коммунальные службы и фермеры активно добывали грунтовую воду в окрестностях Токио. Спустя десятилетие это привело к тому, что почва под городом начала проседать. В 1968 году скорость этого процесса достигала 24 см в год. В тот же год объемы добытой из-под земли пресной воды достигли максимума — 1,5 млн куб. м в день. В ответ на сложившийся кризис правительство Токио приняло законы, ограничивающие прокачку. К началу 2000-х годов оседание города замедлилось до 1 см в год.
Однако ограничение объема выкачивания грунтовых вод требует наличия альтернативного источника пресной воды. В некоторых регионах они отсутствуют — как, например, в долине Сан-Хоакин в Калифорнии. Долина простирается на 25,9 тыс. кв. км — почти всю эту территорию занимают сельскохозяйственные угодья. Из-за активного использования грунтовых вод местными фермерами некоторые части долины опускаются на 60 см в год.
Почва высокими темпами — около 17 см в год — проседает и в столице Индонезии Джакарте. Ситуация осложняется тем, что город находится почти на уровне моря, а дальнейшее проседание наряду с повышением уровня океана из-за таяния ледников грозит постепенным затоплением дорог, электростанций и жилых домов. В результате этого процесса без крова могут остаться более 10 млн человек — то есть все население Джакарты.
В Испании последствия откачивания грунтовых вод уже привели к человеческим жертвам. В мае 2011 года в окрестностях популярного среди туристов города Лорка на юго-западе страны произошло землетрясение магнитудой 5,1. В результате десять человек погибли, сотни получили ранения.
Окрестности Лорки — самый сейсмоактивный район страны, а из-за строительства большого количества артезианских скважин и активного откачивания грунтовых вод почва там проседает самыми высокими темпами на территории Европы — до 10 см в год.
В результате откачивания воды для орошения полей уровень грунтовых вод в регионе снизился на 250 м. Ученые считают, что это стало причиной землетрясения, поскольку оно произошло на необычно малой глубине — около 3 км. Снижение уровня водоносного горизонта усилило давление на два пласта пород, двигавшихся параллельно друг другу в противоположных направлениях и без того находившихся в напряжении. Компьютерное моделирование подтвердило эту гипотезу.