Уровень грунтовых вод: почему он понижается?

Уровень грунтовых вод уже несколько лет является постоянной проблемой во Франции, причем он значительно снизился по сравнению со средним уровнем, зафиксированным за последние десятилетия. В июле 2023 года уровень грунтовых вод на 75 % территории Франции был ниже нормального для этого времени года. Отчасти это объясняется очень низким уровнем зимних осадков, которые не обеспечили достаточного пополнения для поддержки водоносных горизонтов при их опустошении в сухой сезон.

Фреатический или неограниченный водоносный горизонт – это открытый на поверхности пласт проницаемой породы, часть которого заполнена водой, обычно называемый уровнем грунтовых вод или насыщенной зоной. Насыщенная зона опирается на другую геологическую формацию, непроницаемую, которая называется стенкой водоносного горизонта. Водоносный горизонт питается непосредственно дождем, который просачивается вертикально в грунт.

Схема организации водоносного горизонта. COBAHMA

Пресноводные водоносные горизонты являются важным водным ресурсом:

• В количественном отношении они составляют 30% от общего объема пресной воды на Земле, ледники и снег – 69,6%, а поверхностные воды, реки, озера и водно-болотные угодья – всего 0,34%.
• Что касается распространения, то даже в большинстве полузасушливых и засушливых районов, где поверхностный сток незначителен или отсутствует, грунтовые воды обычно можно обнаружить на глубине первых 200 м.
• Качество воды водоносных горизонтов очень высокое, поскольку она лучше защищена от загрязнения, чем поверхностные воды.

Количество хранимой воды может быть очень большим не из-за занимаемого ею объема, а из-за размеров и толщины большинства водоносных горизонтов, которые могут простираться на сотни и даже тысячи км2 и иметь толщину в несколько сотен метров. Так обстоит дело с водоносными горизонтами, расположенными в крупных осадочных бассейнах Парижа и Аквитании, включая меловой водоносный горизонт Парижского бассейна, который занимает площадь около 110 000 км2 и выходит на поверхность в Нормандии и Шампани.

Как циркулирует вода в водоносных горизонтах?

Для того чтобы вода циркулировала в водоносных горизонтах, необходимо наличие взаимосвязанных пустот. Наиболее многочисленные водоносные горизонты имеют первичную пористость, то есть циркуляция происходит через пустоты вокруг зерен породы. Это характерно для осадочных геологических образований, таких как речные аллювиальные террасы.

Ко второй категории водоносных горизонтов относятся горизонты со вторичной пористостью, которые, как правило, обладают меньшей водонакопительной способностью. В этом случае вода циркулирует в трещинах и разломах, соединенных в компактной породе. Эти трещины могут быть вызваны, например, тектоническими явлениями.

Текстура и структура породы определяют среднее количество воды в пласте и условия, в которых она циркулирует. Эти параметры будут зависеть главным образом от размера пор или трещин, от того, происходит ли вертикальное движение, то есть просачивание дождевых вод с поверхности до уровня грунтовых вод, а затем латерально в уровень грунтовых вод. Это медленный процесс, и водные ресурсы, накопленные в водоносном горизонте, являются результатом десятков, сотен и даже тысяч лет эксплуатации.

В естественном состоянии, при стабильных климатических условиях, подземный водоносный горизонт находится в равновесии, то есть то, что он получает в течение всего года в виде осадков, которые называются пополнением, – он отдает, в частности, в виде речной воды .

Благодаря водоносным горизонтам речные экосистемы могут продолжать функционировать без особых сбоев. Годовой цикл отражается в водоносном слое небольшими колебаниями уровня воды от нескольких сантиметров до нескольких метров в период между окончанием сезона дождей (половодье) и окончанием сухого сезона (маловодье). Именно это отложенное функционирование позволяет малым и средним рекам течь в летние месяцы во Франции.

Когда мы говорим об аномальном падении уровня грунтовых вод, это означает, что из водоносного горизонта уходит больше воды, чем поступает, иными словами, сокращается равновесный запас воды, составляющий резерв на несколько десятилетий или сотен лет.

Каковы причины этого? Вопреки распространенному мнению, значительное снижение уровня воды происходит не потому, что у нас выдался плохой дождливый год. Водоносный горизонт – это система с большой инерцией, поскольку он накапливает воду в течение многих лет, и должно пройти много засух подряд, чтобы он почувствовал эти последствия и начал падать ниже своего равновесного уровня. Однако часто интенсивное использование водоносного горизонта является усугубляющим фактором, который может ускорить последствия ежегодного дефицита воды.

Только 10 % выпадающих осадков пополняют водоносные горизонты

Однако количество пополнения водоносного горизонта – более сложный процесс, чем простая зависимость от более или менее сухих или влажных лет. Во-первых, только небольшая часть осадков пополняет водоносный горизонт. Это называется эффективным количеством осадков, которое обычно составляет максимум 10 или 15 % от общего количества осадков.

Если мы посмотрим на гидрологический баланс, то осадки распределятся следующим образом:

• P= R+E+RU+G
• P = осадки, E = испарение и транспирация растений, R = поверхностный сток, RU = полезный запас почвы, G = вода, поступающая в водоносный горизонт.

Два наиболее важных показателя, влияющих на G, – это эвапотранспирация (прямое испарение воды и дыхание растений) и полезный запас почвы. Последний представляет собой способность почвы удерживать воду, то есть максимальное содержание влаги в почве, и только при его превышении вода сможет циркулировать в почве и достигать уровня грунтовых вод. Что касается испарения, то чем теплее, тем испаряется больше воды, выпавшей с дождем и попавшей на поверхность земли и растений, а также первые сантиметры почвы. Чем больше растительности на участке и интенсивнее её рост, тем больше воды из первых нескольких метров почвы она перекачивает через свои корни.

Из этого наблюдения ясно, что дефицит пополнения не обязательно определяется общим количеством осадков за год. Эффективное пополнение часто ограничивается плохим временным распределением осадков. Во Франции осадки выпадают в основном в период с сентября по март, когда погода холоднее и растительность находится в состоянии покоя. Это ограничивает испарение и помогает сохранить почву влажной, что способствует хорошей инфильтрации, тем более что дожди идут постоянно и не очень интенсивно, способствуя инфильтрации, а не поверхностному стоку, который стекает в реку и затем в море. Отсутствие дождей в осенне-зимний период приведет к сокращению подпитки, даже если в апреле, мае и июне выпадет больше осадков, чем обычно.

Какие же существуют решения, чтобы попытаться устранить это снижение, которое может увеличиться в связи с изменением климата, либо из-за уменьшения количества осадков, либо из-за смещения сроков выпадения осадков, либо из-за увеличения интенсивности осадков?

Самое простое решение, которое, однако, может быть использовано только в исключительных случаях, – ограничить использование грунтовых вод. Именно так мы поступаем во Франции, ограничивая использование воды частными лицами или фермерами в определенные летние периоды.

В полузасушливых странах, таких как Тунис, одним из решений является хранение в плотинах поверхностных вод, собираемых в сезон дождей в более влажной северной части страны. Часть ее перебрасывается в более сухой южный регион, где она используется для пополнения запасов воды, распределяя ее в местах, благоприятных для инфильтрации.

Наконец, падение уровня грунтовых вод касается не только уровня грунтовых вод. Второй тип грунтовых вод, известный как “пленные грунтовые воды”, представляет собой геологические резервуары, зажатые между двумя непроницаемыми слоями и питаемые одним или несколькими небольшими обнажениями, которые остаются небольшими по сравнению с размером резервуара. Так, например, обстоит дело с геологическими формациями, сложенными тектоническими движениями. В этом случае за пределами зон обнажения, которые являются зонами подпитки, скорости циркуляции в водоносном горизонте очень низкие, и его обновление обеспечивается только за счет бокового потока. Эксплуатация водоносных горизонтов такого типа всегда приводит к общему уменьшению объема воды в резервуаре, поскольку для возобновления добытой воды потребуются сотни или даже тысячи лет (так называемая ископаемая вода), так как подпитка очень ограничена и может находиться на большом расстоянии от эксплуатационной скважины.