5.2: Цикл води та прісне водопостачання

Цілі навчання

Прочитавши цей модуль, студенти повинні мати можливість

• зрозуміти, як працює кругообіг води
• зрозуміти принципи контролю ресурсів підземних вод і як вони також можуть впливати на поверхневі водні ресурси
• знати причини і наслідки виснаження в різних водоймах
• зрозуміти, як ми можемо працювати над вирішенням кризи водопостачання

Водойми та кругообіг води

Вода - єдина речовина, яка природним чином зустрічається на землі в трьох формах: твердій, рідкій і газовій. Він поширений в різних місцях, званих водоймами. Світовий океан на сьогоднішній день є найбільшим з водойм з приблизно 97% всієї води, але ця вода занадто солона для більшості використання людиною (див. Рисунок\(\PageIndex{1}\)). Крижані шапки та льодовики - найбільші резервуари прісної води, але ця вода незручно розташована, переважно в Антарктиді та Гренландії. Мілководні води є найбільшим резервуаром корисної прісної води. Хоча річки та озера є найбільш широко використовуваними водними ресурсами, вони представляють лише крихітну кількість води у світі. Якби вся світова вода скоротилася до розміру 1 галон, то загальна кількість прісної води становила б близько 1/3 склянки, а кількість легкопридатної прісної води становило б 2 столові ложки.

Малюнок Водосховище\(\PageIndex{1}\) Землі. Гістограма Розподіл води Землі, включаючи загальну глобальну воду, прісну воду та поверхневу воду та іншу прісну воду та кругову діаграму Вода, яка використовується людьми та джерелами корисної води. Джерело: Глава географічного огляду Сполучених Штатів Ігоря Скікломанова «Світові прісні водні ресурси» в Peter H. Gleick (редактор), 1993, Вода в кризі: путівник по свіжим водним ресурсам

\(\PageIndex{2}\)Малюнок Кругообіг води. Стрілки зображують рух води до різних водойм, розташованим вище, біля і нижче поверхні Землі. Джерело: Геологічна служба США

Важливою частиною кругообігу води є те, як змінюється вода по солоності, яка є великою кількістю розчинених іонів у воді. Океанську воду називають солоною водою, оскільки вона сильно сольова, з приблизно 35 000 мг розчинених іонів на літр морської води. Випаровування (де вода змінюється з рідини на газ при температурі навколишнього середовища) - це процес дистиляції, який виробляє майже чисту воду з майже відсутністю розчинених іонів. Коли вода випаровується, вона залишає розчинені іони у вихідній рідкій фазі. Зрештою, конденсація (де вода переходить з газу на рідину) утворює хмари, а іноді і опади (дощ і сніг). Після того як дощова вода потрапляє на сушу, вона розчиняє мінерали, що збільшує її солоність. Більшість озер, річок і приповерхневих підземних вод мають відносно низьку солоність і називаються прісною водою. Наступні кілька розділів обговорюють важливі частини кругообігу води щодо прісних водних ресурсів.

Первинні прісні водні ресурси: опади

Опади є основним контролем доступності прісної води, і вона нерівномірно розподілена по всій земній кулі (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)). Більше опадів випадає поблизу екватора, а сухопутні маси там характеризуються кліматом тропічних лісів. Менше опадів, як правило, випадає близько 20—30° північної та південної широт, де розташовані найбільші пустелі світу. Ці опади та кліматичні моделі пов'язані з глобальними клітинами циркуляції вітру. Інтенсивне сонячне світло на екваторі нагріває повітря, змушуючи його підніматися і охолоджуватися, що знижує здатність повітряної маси утримувати водяну пару і призводить до частих дощів. Близько 30° північної та південної широти, спадні повітряні умови створюють тепліше повітря, що збільшує його здатність утримувати водяну пару і призводить до сухих умов. Як умови сухого повітря, так і теплі температури цих широтних поясів сприяють випаровуванню. На глобальні опади та кліматичні структури також впливають розміри материків, великі океанічні течії та гори.

Малюнок\(\PageIndex{3}\) Світова карта опадів. На карті помилкового кольору вище показано кількість дощу, який випадає по всьому світу. Області з великою кількістю опадів включають Центральну та Південну Америку, Західну Африку та Південно-Східну Азію. Оскільки ці райони отримують стільки опадів, саме там росте більшість світових тропічних лісів. Райони з дуже невеликою кількістю опадів зазвичай перетворюються в пустелі. Пустельні райони включають Північну Африку, Близький Схід, Західну Північну Америку та Центральну Азію. Джерело: Форум Землі геологічної служби США, Х'юстонський музей природничих наук

Поверхневі водні ресурси: річки, озера, льодовики

Протікає вода з дощового і талого снігу по суші надходить в річкові русла по поверхневому стоку (див. Рис.\(\PageIndex{4}\)) і просочуванню підземних вод (див.\(\PageIndex{5}\) Рис. Річковий стік описує обсяг води, що рухається по річковому руслу з плином часу (див. Рис.\(\PageIndex{6}\)). Відносний внесок поверхневого стоку проти просочування підземних вод у стік річок залежить від структури опадів, рослинності, рельєфу, землекористування та характеристик ґрунту. Незабаром після сильного зливу річковий стік збільшується за рахунок поверхневого стоку. Стійкий нормальний стік річкових вод в основному з підземних вод, що скидаються в річку. Гравітація тягне річкову воду під гору до океану. По дорозі рухома вода річки може розмивати частинки грунту і розчиняти мінерали, створюючи навантаження річки з рухомих осадових зерен і розчинених іонів. Підземні води також сприяє великій кількості розчинених іонів у річковій воді. Географічний район, осушений річкою та її притоками, називається дренажним басейном. Дренажний басейн річки Міссісіпі включає приблизно 40% США, захід, який включає менші дренажні басейни (також називаються вододілами), такі як річка Огайо та річка Міссурі, які допомагають її скласти. Річки є важливим водним ресурсом для зрошення і багатьох міст по всьому світу. Деякі світові річки, які мали міжнародні суперечки щодо водопостачання, включають Колорадо (Мексика, південний захід США), Ніл (Єгипет, Ефіопія, Судан), Євфрат (Ірак, Сирія, Туреччина), Ганг (Бангладеш, Індія) та Йорданія (Ізраїль, Йорданія, Сирія).

Рисунок\(\PageIndex{4}\) Поверхневий стік, частина сухопутного потоку у водному циклі Джерело: Джеймс Піз на Вікісховищі

Рисунок просочування\(\PageIndex{5}\) підземних вод можна побачити в Каньйоні Бокс в Айдахо, де приблизно 10 кубічних метрів в секунду просочування виходить від його вертикальної головки. Джерело: NASA

Малюнок річки\(\PageIndex{6}\) Колорадо, США. Річки є частиною сухопутного стоку в круговороті води і важливим ресурсом поверхневих вод. Джерело: Гонзо фан2007 на Вікісховищі

Озера також можуть бути відмінним джерелом прісної води для використання людиною. Вони зазвичай отримують воду з поверхневого стоку і скиду грунтових вод. Вони, як правило, недовговічні в геологічному часовому масштабі, оскільки вони постійно заповнюються осадом, що постачається річками. Озера утворюються різними способами, включаючи зледеніння (Великі озера, Північна Америка, Див. Рисунок\(\PageIndex{7}\)), недавній тектонічний підйом (озеро Танганьїка, Африка) та виверження вулканів (озеро Кратер, Орегон). Люди також створюють штучні озера (водойми) шляхом загребання річок. Великі зміни клімату можуть призвести до серйозних змін у розмірах озера. Оскільки Земля виходила з останнього льодовикового періоду близько п'ятнадцяти тисяч років тому, клімат на заході США змінився від прохолодного та вологого до теплого та посушливого, що призвело до зникнення понад 100 великих озер. Велике Солоне озеро в штаті Юта є залишком набагато більшого озера під назвою озеро Бонневіль.

Малюнок\(\PageIndex{7}\) Великих озер з космосу. Великі озера містять 21% поверхневої прісної води світу. Озера є важливим поверхневим водним ресурсом. Джерело: Проект SeaWiFS, Центр космічних польотів НАСА/Годдарда та ORBIMAGE

Хоча льодовики являють собою найбільший резервуар прісної води, вони, як правило, не використовуються в якості джерела води, оскільки розташовані занадто далеко від більшості людей (див.\(\PageIndex{8}\) Рис. Танення льодовиків дійсно забезпечують природне джерело річкової води і підземних вод. Під час останнього льодовикового періоду в льодовиках було на 50% більше води, ніж сьогодні, що призвело до того, що рівень моря був приблизно на 100 м нижче. За минуле століття рівень моря частково підвищувався через танення льодовиків. Якщо клімат Землі продовжить тепло, танення льодовиків спричинить додаткове підвищення рівня моря.

Малюнок\(\PageIndex{8}\) Гірський льодовик в Аргентині Льодовики є найбільшим резервуаром прісної води, але вони не використовуються як водний ресурс безпосередньо суспільством через їх віддаленість від більшості людей. Джерело: Лука Галуцці - www.galuzzi.it

Ресурси ґрунтових вод

Хоча більшість людей у США та світі використовують поверхневі води, підземні води є набагато більшим резервуаром корисної прісної води, що містить більше, ніж у 30 разів більше води, ніж річки та озера разом узяті. Грунтові води є особливо важливим ресурсом у посушливому кліматі, де поверхневих вод може бути дефіцитним. Крім того, підземні води є основним джерелом води для сільських домовласників, забезпечуючи 98% цієї потреби у воді в США. Грунтові води - це вода, розташована в невеликих просторах, званих поровим простором, між мінеральними зернами і тріщинами в підземних земних матеріалах (гірська порода або осад, тобто пухкі зерна). Грунтові води не розташовані в підземних річках або озерах, крім випадків, де є печери, які зустрічаються відносно рідко. Між поверхнею землі і глибиною, де є грунтові води, знаходиться ненасичена зона, де порові простори містять тільки повітряні і водні плівки на мінеральних зернях (див. Рис.\(\PageIndex{9}\)) ¹. Нижче ненасиченої зони знаходиться насичена зона, де грунтові води повністю заповнюють порові простори в земних матеріалах. Місцем сполучення між ненасиченою зоною і насиченою зоною є рівень ґрунту води. Більшість грунтових вод походить від дощу або танення снігу, який проникає в землю і рухається вниз, поки не досягне насиченої зони. Інші джерела підземних вод включають просочування з поверхневих вод (озера, річки, водосховища, болота), поверхневі води, навмисно закачані в грунт, зрошення та підземні системи очищення стічних вод, тобто септики. Області підживлення - це місця, де поверхневі води проникають у землю, а не стікають у річки або випаровуються. Водно-болотні угіддя та плоскі рослинні райони загалом є чудовими районами підживлення.

Малюнок Термінологія\(\PageIndex{9}\) підземних вод. Грунтові води в пористих просторах і зламах земних матеріалів, насичена зона, ненасичена зона та рівень води, який слідує за поверхнею землі, але більш приглушеним чином. Джерело: Геологічна служба США

Грунтові води знаходяться в постійному русі завдяки взаємозв'язку між поровими просторами. Пористість - це відсоток порового простору в земляному матеріалі, і це дає міру того, скільки грунтових вод може утримувати земляний матеріал. Проникність - це міра швидкості, яку підземні води можуть протікати через земляний матеріал, і вона залежить від розміру та ступеня взаємозв'язку між порами. Земляний матеріал, який здатний подавати грунтові води зі свердловини з корисною швидкістю - тобто має відносно високу проникність і середню до високої пористості - називається водоносним шаром. Прикладами водоносних шарів є земляні матеріали з рясними, великими, добре пов'язаними поровими просторами, такими як пісок, гравій, нецементований пісковик та будь-яка сильно тріщиниста гірська порода. Земляний матеріал з низькою гідравлічною провідністю - це аквітард. Приклади аквітард включають глину, сланці (осадові породи з великою кількістю глини), а також магматичні та метаморфічні породи, якщо вони містять мало переломів.

Як обговорювалося вище, підземні води течуть тому, що більшість земляних матеріалів поблизу поверхні мають кінцеві (ненульові) значення пористості та проникності. Ще одна причина руху грунтових вод полягає в тому, що поверхня ґрунту води зазвичай не повністю рівна, а імітує рельєф поверхні землі, особливо у вологому кліматі. Існує «топографія» до рівня води, оскільки грунтові води повільно рухаються через скелю та ґрунт, тому вони накопичуються на більш високих висотах. Насправді, коли грунтові води повільно протікають через аквітарди і глибоко під землею, може знадобитися багато тисяч років, щоб пересуватися відносно на невеликі відстані. Необмежений водоносний горизонт не має над ним аквітарди і, отже, він піддається впливу атмосфери та поверхневих вод через взаємопов'язані пори (див. Рисунок\(\PageIndex{10}\)). У необмеженому водоносному шарі грунтові води через гравітацію стікають до зниження рівня рівня ґрунтових вод, де з часом можуть скидати або виходити з системи підземних вод. До районів скиду відносяться річки, озера, болота, водосховища, водойми, колодязі, джерела (див. Рис.\(\PageIndex{11}\)). Джерела - це річки, які виходять з-під землі через різке перетин поверхні землі та ґрунту води, спричинене суглобами, печерами або розломами, які приносять проникні земні матеріали на поверхню. Обмежений водоносний горизонт обмежений аквітардами внизу і вище, що запобігає підживлення з поверхні безпосередньо вище. Замість цього основна підживлення відбувається там, де замкнутий водоносний шар перехоплює поверхню суші, яка може знаходитися на великій відстані від колодязів води і ділянок скидання (див. Рис.\(\PageIndex{12}\)). Закриті водоносні горизонти зазвичай нахилені подалі від районів підживлення, тому грунтові води в обмеженому водоносному шарі знаходяться під більшим, ніж атмосферним тиском через вагу води у напрямку вгору схилу. Подібно до річкового скиду, скид підземних вод описує обсяг води, що рухається через водоносний шар з плином часу. Загальний скид грунтових вод залежить від проникності земляного матеріалу, тиску, який приводить в рух підземних вод, і розміру водоносного шару. Важливо визначити скид підземних вод, щоб оцінити, чи може водоносний шар задовольнити потреби у воді тієї чи іншої місцевості.

Малюнок\(\PageIndex{10}\) Проточні грунтові води Блакитні лінії показують напрямок підземних вод у необмежених водоносних горизонтах, обмежених водоносних горизонтах та обмежених пластах. Глибокі грунтові води рухаються дуже повільно, особливо через шари низької проникності. Джерело: Геологічна служба США

Малюнок\(\PageIndex{11}\) Fatzael Джерела в долині Йорданії. Джерело - це річка, яка виходить з-під землі через різке перетин ґрунту води з поверхнею землі, наприклад, поруч з пагорбом. Джерело: Ханай на Медіавікі Вікісховище

Малюнок\(\PageIndex{12}\) Схематичний переріз типів водоносних горизонтів. На цьому малюнку показані різні типи водоносних горизонтів і водоносних свердловин, включаючи необмежений водоносний горизонт, замкнутий водоносний горизонт, свердловину, артезіанську свердловину і проточну артезіанську Точка трикутника - це рівень води в кожному колодязі і рівень води в інших частинок фігури. Рівень води в артезіанській свердловині знаходиться на потенціометричній поверхні і вище місцевого рівня води (пунктирна синя лінія) через додатковий тиск на підземні води в обмеженому водоносному шарі. Вода в проточній артезіанській свердловині рухається над поверхнею землі. Джерело: Геологічна служба Колорадо

Більшість свердловин на мілководді пробурені в необмежені водоносні горизонти. Вони називаються водоносними свердловинами тому, що рівень води в колодязі збігається з рівнем води (див. Рис.\(\PageIndex{13}\)). 90% всіх водоносних шарів для водопостачання - це необмежені водоносні горизонти, що складаються з піску або гравію. Для отримання води зі свердловини потрібно просто просвердлити отвір, яке доходить до насиченої зони, а потім закачати воду на поверхню. Спроба відкачати воду з ненасиченої зони - це як пити кореневе пиво соломинкою, зануреною лише в піну вгорі.

Щоб знайти великий водоносний горизонт для міста, гідрогеологи (геологи, які спеціалізуються на підземних водах) використовують різноманітну інформацію, включаючи знання земних матеріалів на поверхні та надрах, а також випробувальні свердловини. Деякі люди шукають воду шляхом біолокації, де хтось тримає роздвоєну палицю або дріт (називається ворожіння стрижень) під час прогулянки по області. Паличка нібито обертається або відхиляється вниз, коли дозатор проходить над водою. Контрольовані тести показують, що успіх даузера дорівнює або менше випадкового шансу. Проте, у багатьох районах водні свердловини все ще бурять за порадою даузера іноді за значні гроші. Немає наукових підстав для біолокації.

Свердловини в замкнутих водоносних горизонтах зазвичай глибші, ніж ті, що знаходяться в необмежених водоносних горизонтах, оскільки вони повинні проникати в обмежуючий шар. Рівень води в свердловині, пробуреної в замкнутий водоносний шар, який представляє собою артезіанську свердловину, (див. Рис.\(\PageIndex{12}\)), переміщається над місцевим грунтовим шаром до рівня, званого потенціометричної поверхнею через більшого тиску на грунтові води. Вода в проточному колодязі (див. Рис.\(\PageIndex{14}\)) рухається весь шлях до поверхні землі без відкачування.

Малюнок\(\PageIndex{13}\) Проточний колодязь. Проточна артезіанська свердловина, де вода рухається над поверхнею суші за рахунок додаткового тиску на грунтові води в обмеженому водоносному шарі. Джерело: Навколишнє середовище Канади

Закритий водоносний горизонт, як правило, виснажується від перекачування грунтових вод швидше, ніж необмежений водоносний горизонт, припускаючи подібні властивості водоносного горизонту та рівні опадів. Це пояснюється тим, що замкнуті водоносні горизонти мають менші площі підживлення, які можуть бути далекі від насосного колодязя. І навпаки, необмежений водоносний горизонт, як правило, більш сприйнятливий до забруднення, оскільки гідрологічно пов'язаний з поверхнею, яка є джерелом більшості забруднення.

Підземні та поверхневі води (річки, озера, болота та водосховища) сильно взаємопов'язані, оскільки обидва є частиною одного загального ресурсу. Велике видалення грунтових вод (від відкачування або посухи) може знизити рівень поверхневих вод і навпаки. Ми можемо визначити два типи потоків: набирають (стічні) потоки і втрачають (припливні) потоки (див. Рис.\(\PageIndex{14}\)). Набирають струмки, як правило, багаторічні (течуть круглий рік), характерні для вологого клімату, мають рівень ґрунту, похилий у бік річки, а тому набирають воду від скиду підземних вод. Втратні потоки, як правило, ефемерні (протікають тільки після значних дощів), характерні для посушливого клімату, розташовуються над рівнем грунтових вод (які схиляються далеко від річки), і тому втрачають воду для підживлення грунтових вод. Забруднення, яке скидається в втрачений потік, має тенденцію рухатися в землю, а також може забруднити місцеві грунтові води.

Малюнок\(\PageIndex{14}\) Взаємодія потоків і грунтових вод. А) Отримання потоку, де рівень води схиляється до річки і підземних вод скидає в річку, Б) Втрата потоку, де рівень води схиляється від річкових і річкових скидів води в підземні води, С) Втрата потоку, де рівень води відокремлений від і нижче річки. Джерело: Геологічна служба США

Використання води в США та світі

Людям потрібна вода, щоб виробляти їжу, енергію та мінеральні ресурси, які вони використовують - як правило, великі її кількості. Розглянемо, наприклад, ці приблизні потреби у воді для деяких речей, які люди в розвинених країнах світу використовують щодня: один помідор = 3 галони; один кіловат-годину електроенергії (від термоелектростанції) = 21 галон; один батон хліба = 150 галонів; один фунт яловичини = 1600 галонів; і одна тонна сталь = 63 000 галонів. Людським істотам потрібно лише близько 1 галона на день, щоб вижити, але типова людина в домогосподарстві США використовує приблизно 100 галонів на день, що включає приготування їжі, миття посуду та одягу, промивання туалету та купання.

Потреба у воді місцевості є функцією населення та інших видів використання води. Існує кілька загальних категорій використання води, включаючи використання за течією, яке видаляє воду з її джерела, наприклад, зрошення, виробництво термоелектричної енергії (охолодження обладнання, що виробляє електроенергію, на викопному паливі, атомних та геотермальних електростанціях), промисловість та громадське постачання; споживче використання, яке тип використання за течією, де вода не повертається до поверхневих вод або системи підземних вод відразу після використання, наприклад, зрошувальна вода, яка випаровується або йде на ріст рослин; і instream використання, яке використовується вода, але не видаляється з річки, в основному для виробництва гідроелектричної енергії. Відносний розмір цих трьох категорій - instream use >> використання поза течією> споживче використання. У 2005 році США використовували приблизно 3,300 мільярдів галонів на день для використання instream, 410 мільярдів галонів на день для використання поза течією та 100 мільярдів галонів на день для споживчого використання. Основними видами використання цієї води були термоелектричні (49%), зрошення (31%), громадське постачання (11%) та промисловість (4%, див. Рисунок\(\PageIndex{15}\)). Близько 15% загального водозабору в США в 2005 році становили солону воду, яка майже повністю використовувалася для виробництва термоелектричної енергії. Майже вся вода, що використовується для виробництва термоелектричної енергії, повертається до річки, озера чи океану, звідки вона прийшла, але близько половини зрошувальної води не повертається до вихідного джерела через випаровування, транспірацію рослин та втрати під час транспортування, наприклад, протікання труб. Загальний обсяг забору води в США фактично дещо зменшився з 1980 по 2005 рік, незважаючи на неухильно зростаюче населення. Це пов'язано з тим, що дві найбільші категорії використання води (термоелектричні та зрошувальні) стабілізувалися або зменшилися за цей період часу завдяки кращому управлінню та збереженню води. На відміну від цього, попит на воду для населення неухильно зростав з 1950 року (коли почалися оцінки) до 2005 року. Приблизно 77% води для використання за течією в США в 2005 році надходило з поверхневих вод, а решта - з підземних вод (див. Рисунок\(\PageIndex{15}\)).

Рисунок\(\PageIndex{15}\) Тенденції загального водозабору за категоріями водокористування, 1950-2005 рр. Тенденції загального водозабору в США з 1950 по 2005 рік за категоріями водокористування, включаючи бари для термоелектричної енергії, зрошення, громадського водопостачання та сільського господарства та тваринництва. Тонка синя лінія представляє загальну кількість відведення води за допомогою вертикальної шкали праворуч. Джерело: Геологічна служба США

Рисунок\(\PageIndex{16}\) Тенденції джерел вилучення прісної води в США з 1950 по 2005 рік. Тенденції в джерелах забору прісної води в США з 1950 по 2005 рік, включаючи бари для поверхневих вод, підземних вод та загальної води. Червона лінія дає населення США за допомогою вертикальної шкали праворуч. Джерело: Геологічна служба США

На відміну від тенденцій в США, глобальне загальне використання води неухильно зростає зі швидкістю, більшою, ніж зростання світового населення (див. Рисунок\(\PageIndex{17}\)). Протягом ХХ століття населення світу збільшилося втричі, а попит на воду зріс у шість разів. Збільшення світового попиту на воду, що перевищує темпи зростання населення, обумовлено покращенням рівня життя без компенсації за рахунок збереження води. Збільшення виробництва товарів і енергії тягне за собою велике зростання попиту на воду. Основними світовими видами використання води за течією є зрошення (68%), громадське постачання (21%) та промисловість (11%).

Рисунок\(\PageIndex{17}\) Тенденції у світовому водокористуванні з 1900 по 2000 рік та прогнозовані до 2025 року. Для кожної категорії використання води, включаючи тенденції для сільського господарства, побутового використання та промисловості. Темніший кольоровий бар являє собою загальну кількість води, витягнутої для цієї категорії використання, а світліший кольоровий бар являє собою споживану воду (тобто воду, яка не швидко повертається до поверхневих вод або системи підземних вод) для цієї категорії використання. Джерело: Ігор Олександрович Шикломанов, Державний гідрологічний інститут (SHI, Санкт-Петербург) та Організація Об'єднаних Націй з питань освіти, науки і культури (ЮНЕСКО, Париж), 1999

Проблеми водопостачання: виснаження ресурсів

У міру відкачування грунтових вод з водяних свердловин зазвичай відбувається локалізоване падіння рівня грунтових вод навколо колодязя, яке називається конусом поглиблення (див. Рис.\(\PageIndex{18}\)). При наявності великої кількості свердловин, які тривалий час перекачують воду, регіональний рівень води може значно впасти. Це називається видобутком підземних вод, яка може змусити буріння більш глибоких, дорожчих свердловин, які зазвичай стикаються з більш солоними грунтовими водами. Виникнення видобутку не означає, що підземні води ніколи не будуть заряджатися, але в багатьох випадках швидкість підживлення незначна на людському часовому масштабі. Закриті водоносні горизонти більш сприйнятливі до видобутку підземних вод через їх обмежені площі підживлення. Міський розвиток зазвичай погіршує видобуток підземних вод, оскільки темпи природного поповнення падають із поширенням непроникного тротуару, будівель та доріг. Обширна перекачування грунтових вод навколо Чикаго створила там гігантський конус депресії. Оскільки рівень води впав до 250 м (800 футів) в цьому районі (див. Рисунок\(\PageIndex{19}\)), багато місцевих громадських постачальників води перейшли на воду озера Мічиган. Чикаго пощастило мати великий альтернативний запас прісної води; багато посушливих місць не мають такої розкоші. Інші місця, де видобуток підземних вод є серйозною проблемою, включають Високі рівнини (водоносний горизонт Огаллала) та пустелю на південному заході США, Мексики, Близького Сходу, Індії та Китаю. Річки, озера та штучні озера (водосховища) також можуть виснажуватися через надмірне використання. Деякі великі річки, такі як Колорадо в США та Жовті в Китаї, через кілька років сухі. Історія Аральського моря, розглянута нижче, передбачає виснаження озера. Нарешті, льодовики виснажуються через прискорене танення, пов'язане з глобальним потеплінням за минуле століття.

Малюнок\(\PageIndex{18}\) Формування конуса западини навколо насосної свердловини. Джерело: Район охорони підземних вод округу Файет, Техас

Рисунок\(\PageIndex{19}\) падіння рівня води в обмеженому водоносному горизонті в районі Чикаго, Іллінойс і Мілуокі, штат Вісконсін, США з 1864 - 1980. Джерело: Геологічна служба США

Ще однією проблемою водних ресурсів, пов'язаною з видобутком підземних вод, є вторгнення морської води, де перекачування прісних водоносних горизонтів поблизу берегових ліній океану призводить до потрапляння морської води в зони прісної води. Вторгнення морської води є значною проблемою у багатьох прибережних районах США, включаючи Лонг-Айленд, Нью-Йорк; Кейп-Код, штат Массачусетс; і південно-східні та прибережні штати Перської затоки. Падіння рівня води навколо конуса поглиблення в необмеженому водоносному шарі може змінити регіональний напрямок потоку підземних вод, що могло б направити довколишнє забруднення в бік насосної свердловини, а не подалі від нього. Нарешті, можуть розвинутися проблеми просідання (поступове занурення поверхні землі на велику площу) і воронок (швидке занурення поверхні землі на невелику площу) через падіння рівня ґрунту води.

Криза водопостачання

Водна криза відноситься до глобальної ситуації, коли люди в багатьох районах не мають доступу до достатньої кількості води або чистої води або обох. Цей розділ описує глобальну ситуацію, пов'язану з дефіцитом води, яку також називають водним стресом. Наступний розділ охоплює водну кризу, пов'язану із забрудненням води. \(\PageIndex{20}\)На малюнку показані райони світу, які відчувають водний стрес, що визначається високим відсотком забору води порівняно із загальною наявною водою. Через зростання населення прогноз глобального водного стресу на 2025 рік значно гірший, ніж рівень водного стресу в 1995 році. Загалом, водний стрес є найбільшим у районах з дуже низьким рівнем опадів (великі пустелі) або великою щільністю населення (наприклад, Індія) або в обох. Майбутнє глобальне потепління може погіршити водну кризу, змістивши схеми опадів від вологих районів та танення гірських льодовиків, які заряджають річки вниз за течією. Танення льодовиків також сприятиме підвищенню рівня моря, що погіршить вторгнення морської води в водоносні горизонти поблизу берегової лінії океану. Посилення водної кризи є проблемою соціальної несправедливості; бідні люди, як правило, отримують менше доступу до чистої води і зазвичай платять більше за воду, ніж заможні люди.

Рисунок\(\PageIndex{20}\) Країни, які стикаються з водним стресом у 1995 році та прогнозуються в Водний стрес визначається як високий відсоток забору води порівняно із загальною наявною водою в цьому районі. Джерело: Філіп Рекачевич (Le Monde dipolomatique), лютий 2006

Згідно з доповіддю Програми розвитку ООН за 2006 рік, у 2005 році 700 мільйонів людей (11% населення світу) жили під водним стресом з рівнем водопостачання на душу населення нижче 1700 м ³ /рік ² (Watkins, 2006). Більшість з них проживає на Близькому Сході і в Північній Африці. До 2025 року звіт прогнозує, що понад 3 мільярди людей (близько 40% населення планети) будуть жити в районах, стресованих водою, з великим збільшенням, що надходить переважно з Китаю та Індії. Водна криза також вплине на виробництво продуктів харчування та нашу здатність прогодувати постійно зростаюче населення. Ми можемо очікувати майбутньої глобальної напруженості і навіть конфлікту, пов'язаного з нестачею води та забрудненням. Історичні та майбутні райони водного конфлікту включають Близький Схід (Євфрат і Тигр конфлікту між Туреччиною, Сирією та Іраком; конфлікт у річці Йордан між Ізраїлем, Ліваном, Йорданією та палестинськими територіями), Африкою (конфлікт між Єгиптом, Ефіопією та Суданом), Центральна Азія (Аральське море) конфлікт між Казахстаном, Узбекистаном, Туркменістаном, Таджикистаном та Киргизстаном) та Південною Азією (конфлікт між Індією та Пакистаном у річці Ганг).

Сталі рішення кризи водопостачання?

Нинішня та майбутня водна криза, описана вище, вимагає безлічі підходів до розширення нашого постачання прісної води та переходу до сталого розвитку. Деякі з давніх традиційних підходів включають греблі та акведуки. Водойми, що утворюються за дамбами в річках, можуть збирати воду в вологий час і зберігати її для використання під час сухих заклинань (див. Рис.\(\PageIndex{21}\)). Їх також можна використовувати для міського водопостачання. Нью-Йорк має велику кількість водойм і контрольованих озер на відстані до 200 км, щоб задовольнити потреби у воді великого населення. Іншими перевагами гребель та водосховищ є гідроелектроенергія, боротьба з повенями та відпочинок. Деякі з недоліків - випаровувальна втрата водойми в посушливому кліматі, ерозія русла річки вниз за течією та вплив на екосистему, включаючи перехід від річки до озера та втручання в міграцію та нерест риби. Акведуки можуть переміщати воду звідти, де її багато, туди, де вона потрібна (див. Рис.\(\PageIndex{22}\)). Південна Каліфорнія має велику і суперечливу мережу акведуків, яка приносить воду з гір Сьєрра-Невада на півночі, долин в північній і центральній Каліфорнії, а також річки Колорадо на схід (див.\(\PageIndex{23}\) Рис. Акведуки можуть бути суперечливими та політично важкими, особливо якщо відстані передачі води великі. Один недолік - відведення води може спричинити посуху в тій місцевості, звідки забирається вода. Наприклад, озеро Оуенс і озеро Моно в центральній Каліфорнії почали зникати після того, як їх приплив річок був перенаправлений в лос-анджелеський акведук. Озеро Оуенс залишається майже повністю сухим, але озеро Моно значно відновилося завдяки юридичному втручанню.

Малюнок Гребля\(\PageIndex{21}\) Гувера, Невада, США - гребля Гувера, штат Невада, США За дамбою знаходиться озеро Мід, найбільше водосховище в США. Біла смуга відображає зниження рівня води у водосховищі через посушливі умови з 2000 - 2010 рр. Джерело: Cygnusloop99 на Вікісховищі

\(\PageIndex{22}\)Малюнок Каліфорнійський акведук. Каліфорнійський акведук на півдні Каліфорнії, США Джерело: Девід Джордан на en.Wikipedia

Малюнок\(\PageIndex{23}\) Карта Каліфорнійських акведуків. Карта Каліфорнійських акведуків, які приносять воду до південної Каліфорнії з центральної та північної Каліфорнії та з річки Колорадо на схід. Джерело: Центральний басейн муніципального водного району

Річка Колорадо, мабуть, найбільш експлуатована річка в США, має багато гребель, деякі величезні водосховища та кілька великих акведуків, так що вона може забезпечити велику кількість прісної води до 7 штатів у посушливому південному заході США та Мексики. Основне використання води для кількох великих міст (Лас-Вегас, Фенікс і Тускон) і зрошення. Виділення води річки Колорадо строго регламентується. На щастя, не всі штати використовують всі свої виділення води, оскільки загальна кількість виділеної води більше, ніж типовий скид річки Колорадо. Вода річки Колорадо отримує настільки солону через випаровування вздовж свого ходу, що США були змушені побудувати опріснювальний завод поблизу кордону з Мексикою, щоб її можна було використовувати для пиття та зрошення. Водно-болотні угіддя дельти річки Колорадо та пов'язана з нею екосистема були на жаль деградовані надмірним використанням води; кілька років жоден річковий потік навіть не досягає океану.

Одним із методів, який насправді може збільшити кількість прісної води на Землі, є опріснення, яке передбачає видалення розчиненої солі з морської води або солоних підземних вод. Існує кілька способів опріснення морської води, включаючи кип'ятіння, фільтрацію, електродіаліз та заморожування. Всі ці процедури є помірно дуже дорогими і вимагають значних витрат енергії, що робить вироблену воду набагато дорожчою, ніж прісна вода зі звичайних джерел. Крім того, процеси створюють високо засолені стічні води, які необхідно утилізувати. Опріснення є найбільш поширеним на Близькому Сході, де енергії з нафти в достатку, але води мало.

Збереження означає використання меншої кількості води і більш ефективне її використання. Навколо будинку збереження може включати як інженерні функції, такі як високоефективні пральні машини для одягу та душові та туалети з низьким потоком, так і поведінкові рішення, такі як вирощування рідної рослинності, яка потребує невеликого зрошення в пустельному кліматі, вимкнення води під час чищення зубів, і кріплення дірявих змішувачів. Збір дощової води передбачає вилов і зберігання дощової води для повторного використання, перш ніж вона досягне землі. Ефективне зрошення надзвичайно важливо, оскільки зрошення становить набагато більший попит на воду, ніж громадське водопостачання. Стратегії збереження води в сільському господарстві включають вирощування сільськогосподарських культур у районах, де природні опади можуть їх підтримувати, більш ефективні системи зрошення, такі як крапельні системи, які мінімізують втрати через випаровування, сільське господарство, що зменшує втрати випарів шляхом покриття ґрунту та повторного використання оброблених стічні води з очисних споруд. Перероблені стічні води також використовувалися для підживлення водоносних горизонтів. Існує безліч інших конкретних стратегій збереження води. Сталі рішення водної кризи повинні використовувати різні підходи, але вони повинні мати збереження води як високий пріоритет.

Переглянути питання

1. Що таке кругообіг води і чому він важливий для прісних водних ресурсів?
2. Які відносні переваги використання поверхневих вод проти підземних вод як водного ресурсу?
3. Що має навчитися суспільству з історії справи Аральського моря?
4. Чому суспільство стикається з кризою, пов'язаною з водопостачанням, і як ми можемо її вирішити?

Посилання

Уоткінс, К. Поза дефіцитом: влада, бідність та глобальна водна криза. Звіт про людський розвиток 2006, Програма розвитку Організації Об'єднаних Націй. Отримано з http://hdr.undp.org/en/reports/global/hdr2006/

Виноски

1. Грунтові води - це назва води в насиченій зоні, а вологість грунту описує воду в ненасиченій зоні. Тому підземні води є підземним водним ресурсом, який використовує суспільство, але вологість ґрунту є основним водопостачанням для більшості рослин і є важливим фактором продуктивності сільського господарства.
2. Хоча 1700 м ³ /рік звучить як багато води для кожної людини, це мінімальна кількість, яку гідрологи вважають необхідною для вирощування продуктів харчування, підтримки промисловості та підтримки навколишнього середовища в цілому.

Глосарій

акведук

Акведук - це водопровід або судноплавний канал, побудований для транспортування води. У сучасному машинобудуванні термін використовується для будь-якої системи труб, канав, каналів, тунелів, інших конструкцій, використовуваних для цієї мети.

водоносний шар

Гірська порода або осад, який здатний подавати грунтові води з колодязя з корисною швидкістю.

аквітард

Земляний матеріал з низькою гідропровідністю.

артезіанська свердловина

Водяна свердловина пробурена в замкнутому водоносному шарі, де рівень води в свердловині рухається вище місцевого рівня води.

конденсату

Зміна фізичного стану води, де вона переходить з газу в рідину.

конус депресії

Локалізоване падіння рівня води навколо насосного колодязя.

обмежений водоносний шар

Водоносний шар, який обмежений аквітарами внизу і вище.

споживання води

Суспільне використання води, яка є типом використання за течією, де вода не повертається до річки або системи підземних вод відразу після використання.

гребля

Бар'єр, побудований через річку, щоб перешкодити потоку води.

опріснення

Видалення розчиненої солі з морської води або солоних підземних вод.

площа розряду

Розташування на Землі, де грунтові води виходять з системи підземних вод.

дренажний басейн

Географічний район осушується річкою і її притоками.

випаровування

Де вода змінюється з рідини на газ при температурі навколишнього середовища.

підземні води

Вода знаходиться в невеликих просторах між мінеральними зернами і тріщинами в підповерхневих породах або осадах.

видобуток грунтових вод

Виснаження ресурсів підземних вод викликано великою кількістю водяних свердловин, які перекачують воду протягом тривалого часу.

використання потокової води

Суспільне використання води, яка не видаляє її з джерела.

використання води за течією

Суспільне використання води, що видаляє її з джерела.

проникність

Вимірювання швидкості, яку підземні води можуть протікати через скелю або осад.

пор простір

Невеликі простори між мінеральними зернами в підземних породах або осадах.

пористість

Відсоток порового простору в гірській породі або осаді.

збирання дощової води

Ловля та зберігання дощової води для повторного використання, перш ніж вона досягне землі.

площа поповнення

Місце на Землі, де поверхневі води проникають у землю, а не стікають у річки або випаровуються.

водосховище

Велике штучне озеро використовується як джерело води.

річковий скид

Обсяг води, що рухається по річковому руслу з плином часу.

вторгнення морської води

Морська вода, яка потрапляє в водоносний шар через перекачування прісноводних водоносних горизонтів поблизу океанських берегових ліній.

насичена зона

Ділянка надр, де грунтові води повністю заповнюють порові простори в скелі або осадах.

вологість грунту

Вода в ненасиченій зоні.

весна

Річка, що виходить з підпілля через різке перетин ґрунту води з поверхнею землі.

поверхневий стік

Неканалізований сухопутний потік води.

транспірація

Втрата води рослинами в атмосферу.

необмежений водоносний шар

Водоносний шар без аквітарди над ним.

ненасичена зона

Площа надр, де порові простори містять лише повітряні та водні плівки на мінеральних зернятах.

збереження води

Використання меншої кількості води та ефективніше її використання

водна криза

Глобальна ситуація, коли люди в багатьох районах не мають доступу до достатньої кількості води або чистої води або обох.

кругообіг води

Безперервний рух води через водойми, розташовані на, над і нижче поверхні Землі.

водойма (в круговороті води)

Загальне розташування на Землі, де знаходиться вода, включаючи океани, атмосферу, льодовики, підземні води, озера, річки та біосферу.

стіл води

Інтерфейс між ненасиченою зоною і насиченою зоною.

колодязь для води

Водяна свердловина пробурена в необмежений водоносний шар, де рівень води в свердловині збігається з рівнем води.