На протяжении десятилетий интенсивная откачка грунтовых вод приводила к опусканию грунта под долиной Сан-Хоакин в Калифорнии, нанося ущерб инфраструктуре. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предполагает, что по мере того как откачка грунта тонет, она также создает невидимую угрозу для здоровья человека и производства продуктов питания: мышьяк попадает в подземные водоносные горизонты, которые обеспечивают питьевой водой 1 миллион человек и орошают сельскохозяйственные культуры. на одних из самых богатых сельскохозяйственных угодий страны.
Группа обнаружила, что спутниковые измерения оседания грунта могут предсказать концентрацию мышьяка в грунтовых водах. Этот метод может быть системой раннего предупреждения для предотвращения опасных уровней загрязнения мышьяком водоносных горизонтов с определенными характеристиками во всем мире.
«Мышьяк в подземных водах был проблемой в течение очень долгого времени», - сказал ведущий автор Райан Смит, докторант в области геофизики в Школе наук о Земле, энергетике и окружающей среде (Stanford Earth). Он естественным образом присутствует в земной коре и часто вызывает озабоченность при управлении подземными водами из-за его повсеместного распространения и связи с сердечными заболеваниями, диабетом, раком и другими заболеваниями. «Но идея о том, что чрезмерная подача воды для орошения может увеличить концентрацию мышьяка, нова», - сказал Смит.
Важно отметить, что группа обнаружила признаки того, что водоносные горизонты, загрязненные в результате чрезмерной откачки, могут восстановиться, если водозабор прекратится. Районы, которые показали более медленное опускание по сравнению с 15 годами ранее, также имели более низкие уровни мышьяка. «Подземные воды, должно быть, в значительной степени перевернулись», - сказал соавтор исследования Скотт Фендорф, профессор наук о системе Земли и старший научный сотрудник Стэнфордского института окружающей среды.
Выделение мышьяка из глины
Исследовательская группа проанализировала данные о мышьяке для сотен колодцев в два разных периода засухи, а также оценки оседания земли на сантиметровом уровне, полученные со спутников. Они обнаружили, что, когда земля в бассейне Туларе в долине Сан-Хоакин опускается быстрее, чем на 3 дюйма в год, риск обнаружения опасных уровней мышьяка в грунтовых водах возрастает втрое..
Водоносные горизонты в бассейне Туларе состоят из зон песка и гравия, разделенных тонкими слоями глины. Глина действует как губка, крепко удерживая воду, а также мышьяк, впитавшийся из древних речных отложений. В отличие от слоев песка и гравия, эти глины содержат относительно мало кислорода, что создает условия для того, чтобы мышьяк находился в форме, легко растворяющейся в воде.
При перекачивании слишком большого количества воды из песчаных и гравийных участков водоносный горизонт сжимается, и земля тонет. «Песок и гравий, которые раздвигались под давлением воды, теперь начинают давить на эту губку», - пояснил Фендорф. Затем вода, богатая мышьяком, начинает просачиваться и смешиваться с водой основного водоносного горизонта.
Когда откачка воды замедляется настолько, чтобы остановить оседание грунта и уменьшить давление на захваченный мышьяк, чистая вода, впитывающаяся из ручьев, дождя и естественного стока с поверхности, может постепенно очистить систему.
Однако соавтор исследования Розмари Найт, профессор геофизики и аффилированный преподаватель в Институте Вудса, предостерегает от чрезмерной ставки на предсказуемое восстановление после перекачки. «Сколько времени потребуется для восстановления, будет сильно различаться и зависеть от множества факторов», - сказала она.
Исследователи заявили, что чрезмерная откачка других водоносных горизонтов может привести к тем же проблемам загрязнения, что и в долине Сан-Хоакин, если они имеют три атрибута: чередующиеся слои глины и песка; источник мышьяка; и относительно низкое содержание кислорода, характерное для водоносных горизонтов, расположенных под мощными глинами.
Угроза может быть более распространенной, чем предполагалось. Только в последние несколько лет ученые обнаружили, что хорошо аэрируемые водоносные горизонты, считавшиеся в значительной степени невосприимчивыми к проблемам с мышьяком, на самом деле могут быть пронизаны глинами с низким уровнем кислорода, необходимым для того, чтобы мышьяк попал в большинство грунтовых вод. «Мы только начинаем осознавать, что это опасно», - сказал Фендорф.
Спутниковая статистика
Открытие того, что дистанционное зондирование может поднять тревогу до того, как загрязнение угрожает здоровью человека, дает надежду на улучшение мониторинга воды. «Вместо того, чтобы бурить скважины и брать пробы воды в лабораторию, у нас есть спутник, который получает необходимые нам данные», - сказал Найт.
Хотя скважинные данные важны для проверки и калибровки спутниковых данных, объяснила она, наземный мониторинг никогда не сможет сравниться с широтой и скоростью дистанционного зондирования. «Вы никогда не будете брать пробы из колодца достаточно часто, чтобы поймать мышьяк в тот момент, когда он находится в колодце», - сказал Найт. «Как здорово иметь эту систему раннего предупреждения с дистанционным зондированием, позволяющую людям понять, что они приближаются к критической точке с точки зрения качества воды."
Исследование основано на исследованиях, проведенных в 2013 году Лаурой Эрбан, в то время докторантом, работавшим в дельте Меконга во Вьетнаме. «Именно тогда мы начали говорить: «О нет», - сказал Фендорф, соавтор этой статьи.
Как и в долине Сан-Хоакин, в районах дельты Меконга, где земля опускалась больше, были обнаружены более высокие концентрации мышьяка. «Теперь у нас есть две площадки в совершенно разных географических регионах, где работают одни и те же механизмы», - сказал Фендорф. «Это сигнализирует о том, что нам нужно подумать об управлении грунтовыми водами и убедиться, что мы не перегружаем водоносные горизонты».