"Джек и Джилл пошли в гору за ведром воды." Это глупая рифма, но она подчеркивает простой факт: люди издавна полагались на колодцы, такие как тот, что на холме, который посетили Джек и Джилл, в качестве основного источника питьевой воды.
Хотя число людей, которые черпают воду из ведер, сокращается по мере того, как насосы становятся все более распространенными, скважины с подземными водами по-прежнему обеспечивают питьевой водой более половины населения мира и поддерживают более 40% орошаемого земледелия. Но об этом жизненно важном ресурсе часто забывают.
Доценты Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Дебра Перроне и Скотт Ясечко составили самый полный на сегодняшний день анализ скважин с подземными водами, охватывающий 40 стран, на которые в совокупности приходится половина всей мировой откачки подземных вод. Их исследование, опубликованное на обложке журнала Science от 23 апреля, предлагает беспрецедентный отчет о мировых ресурсах подземных вод.
«Мы проанализировали записи о строительстве десятков миллионов скважин для подземных вод по всему миру, - сказал Ясечко из Университетской школы экологических наук и менеджмента им. Брена, - и главный вывод заключается в том, что многие скважины находятся под угрозой работает всухую». До каждой пятой скважины в их обзоре, если быть точным.
«Эти колодцы с грунтовыми водами используются для забора воды для бытовых нужд или орошения», - добавил Перроне, преподаватель Программы экологических исследований. «Наше исследование - это первый случай, когда колодцы подземных вод и наблюдения за уровнем воды были объединены таким образом, что дает локальную информацию в глобальном масштабе."
Достижение этих выводов потребовало большей части шестилетней работы Перроне и Ясечко. Исследователи собрали данные из более чем 100 уникальных баз данных по всему миру, иногда в разных форматах и на разных языках.
На первом этапе было составлено около 39 миллионов записей о функционирующих колодцах для подземных вод с указанием глубины, назначения, местоположения и даты строительства. Вместо того, чтобы делегировать обработку данных алгоритму или ИИ, исследователи тщательно привели их в порядок вручную. «Мы хотели быть уверены, что понимаем ограничения и нюансы каждой проанализированной нами базы данных», - сказал Ясечко.
Отсортировав данные, авторы сравнили глубину местных грунтовых вод с глубиной колодцев. Они обнаружили, что от 6 до 20% колодцев в их глобальной выборке рискуют пересохнуть, если уровень воды продолжит снижаться всего на несколько метров. Они стремились найти тенденции изменения глубины новых скважин по сравнению с существующими скважинами в заданном районе с 1950 по 2015 год. По их словам, хотя новые скважины, как правило, глубже старых, эта тенденция не была повсеместной. Функциональные колодцы не становились существенно глубже во многих обследованных ими районах.
Затем исследователи извлекли данные примерно из 1,1 миллиона контрольных скважин, которые обеспечивают измерения уровня и состояния грунтовых вод. Эти записи давали информацию не только о том, где находился уровень грунтовых вод, но и о том, насколько он колебался в течение года. Они обнаружили, что сезонные колебания обычно не превышают одного метра.
Сравнивая тренды глубины с измерениями из близлежащих контрольных скважин, Перроне и Ясечко также смогли определить, насколько близки функционирующие скважины к высыханию. Они обнаружили, что во многих районах уровень грунтовых вод снижается, однако новые скважины не бурятся глубже, чтобы соответствовать падающему уровню грунтовых вод. Поскольку скважины во многих районах не становятся значительно глубже, новые скважины, по крайней мере, так же уязвимы, как и старые скважины, если уровень грунтовых вод продолжит снижаться.
«В некоторых местах уровень грунтовых вод близок к дну колодцев», - заявил Перроне. «Если уровень грунтовых вод в этих местах продолжит снижаться, колодцы высохнут, и люди останутся без доступа к воде».
Два исследователя также воспользовались данными миссии НАСА GRACE. Пара спутников GRACE обнаруживает небольшие различия в гравитационном поле Земли, когда они вращаются вокруг планеты. Это дало Перроне и Ясечко информацию о запасах подземных вод для регионов, где данные с мониторинговых скважин ограничены.
«У нас есть данные мониторинга уровня подземных вод только для нескольких десятков стран, - сказал Ясечко, - но данные GRACE позволяют нам исследовать изменения в запасах воды по всему миру». Хотя разрешение было грубым, дополнительная информация подтвердила несоответствие между снижением уровня грунтовых вод и строительством более глубоких колодцев.
Есть много причин не копать глубже. Это намного дороже с точки зрения бурения и эксплуатационных расходов. Качество подземных вод также может ухудшаться на глубине, часто становясь более солеными ближе к основанию водоносного горизонта.
«Бурить скважины дорого», - заметил Ясечко. «Даже если пресная вода находится глубоко под землей, не у каждого человека или домохозяйства есть капитал, чтобы пробурить новую скважину, чтобы получить к ней доступ, что вызывает опасения по поводу справедливости, когда скважины пересыхают».
Пара надеется расширить охват своего набора данных, особенно на такие страны, как Китай, Иран и Пакистан, трех основных пользователей подземных вод, от которых исследователи не смогли получить записи. Они также планируют изучить степень снижения уровня грунтовых вод в будущих исследованиях, ища информацию о том, как быстро снижается уровень грунтовых вод и где эта тенденция ускоряется.
Подземные воды могут стать спасательным кругом даже в самых засушливых регионах.
Перроне и Ясечко сделали себе имя в области исследования подземных вод, подойдя к этой теме с огромными наборами данных, подобными этому. Глобальное исследование следует за другой статьей, опубликованной в журнале Nature, о ресурсах подземных вод в Соединенных Штатах. Там они выявили, в какой степени реки по всей стране теряют сток в водоносные горизонты, отчасти из-за откачки воды.
Вместе полученные результаты рисуют широкую картину не только колодцев, находящихся в опасности, но и истощения ресурсов подземных вод в целом. Авторы отмечают, что в то время как откачка воды может оказывать самое прямое воздействие на водоносные горизонты, деятельность человека оказывает множество косвенных воздействий на качество и уровень подземных вод. Промышленная деятельность, отвод воды и даже тротуар и стоки влияют на воду под нашими ногами. Изменение климата может оказать наибольшее влияние в долгосрочной перспективе, поскольку оно изменяет распределение и интенсивность осадков и эвапотранспирации растений и почв во всем мире.
«Эти результаты подчеркивают важность ресурсов подземных вод и управления подземными водами для мирового сообщества», - сказал Перроне. «Объединение всех данных показывает, что снижение уровня грунтовых вод угрожает скважинам во многих местах по всему миру».
Устойчивость подземных вод - это сложный вопрос, требующий множества соображений и компромиссов, признают авторы. Принять решение о том, как действовать, будет непросто, но сбор и анализ больших наборов данных, подобных этому, являются важным первым шагом в решении этой проблемы. «Благодаря этим данным мы можем принимать более обоснованные управленческие решения, которые помогут нам рационально использовать подземные воды», - сказал Перроне.