Исследователи из Принстона и Университета Аризоны создали симуляцию, отображающую подземные воды на континентальном уровне. Результат трехлетней работы по изучению грунтовых вод от берега до берега показывает невидимый путь, который проходит каждая капля дождя или растаявший снежинка, прежде чем снова появиться в пресных водотоках, следуя от поверхности земли на глубину и обратно, вылезая на поверхность до 100 миль (160 километров) вдалеке после нахождения под землей от 10 до 100000 лет.
Симуляция, опубликованная в журнале Nature Water, показывает, что дождь и таяние снега проникают гораздо глубже, чем считалось ранее, и что более половины воды в ручьях и реках происходит из водоносных слоев, которые когда-то считались слишком глубокими, чтобы иметь что-то общее с водотоками. Эти неожиданные выводы имеют серьезные последствия для отслеживания загрязнений и предсказания эффектов изменения климата на грунтовые воды, которые снабжают половину всей питьевой воды в Соединенных Штатах.
Охватывая континентальные Соединенные Штаты и части Канады и Мексики, симуляция отслеживает поток грунтовых вод и измеряет огромные расстояния и глубины, которые они преодолевают, прежде чем сбрасываться в водотоки на территории более 3 миллионов квадратных миль (7.85 миллиона квадратных километров). Исследователи достигли этого с помощью гидрологической симуляции высокого разрешения, которая позволила им отслеживать движение воды через подземные системы.
В состав исследовательской группы вошли Рид Максвелл, профессор инженерии и прикладной науки Принстона, а также профессор Высшего экологического института Принстона; Чен Янг, бывший научный сотрудник Принстона (в настоящее время в университете Сунь Ят-сена в Китае); и профессор Университета Аризоны Лора Кондон.
Они обнаружили, что грунтовые воды могут перемещаться под землей на сотни километров, прежде чем появляться в виде водотоков. На Среднем Западе грунтовые воды протекают длинные расстояния — особенно там, где горы встречаются с равнинами. Один поток грунтовых вод вдоль основания Скалистых гор составлял 148 миль (238 километров). Исследование также выявило огромные сети взаимосвязей грунтовых вод: почти 90% водосборных бассейнов в США получают воду от одного соседа и передают её другому.
Выводы имеют потрясающие последствия. Хотя и не видны, грунтовые воды составляют 99% мировой пресной воды, не замерзающей, и снабжают питьевой водой 145 миллионов американцев. Они также жизненно важны для нашего продовольственного снабжения, орошая 60% сельского хозяйства по всему миру. Однако грунтовые воды истощаются тревожными темпами — и долгое время их трудно было моделировать. Новые ретроспективные анализы и предсказательные симуляции этого исследования предоставляют возможности отслеживать этот жизненно важный ресурс и понимать далеко идущие последствия утечек, таких как от нефтяных и газовых месторождений.
“Взаимосвязи между водосборными бассейнами важны не только для водотока,” — говорит Максвелл. “Это также дает нам понять, как долго загрязнение будет сохраняться в грунтовых водах. Широко распространенные загрязнители, такие как нитраты и PFAS, могут проходить такие долгие пути до водотока, делая их труднее контролировать и придавая им более долгий срок жизни.”
Второе важное новое открытие заключается в том, что грунтовые воды из очень глубоких водоносных слоев значительно способствуют формированию водотока. Команда Максвелла обнаружила, что глубокие грунтовые воды из водоносных слоев на глубине от 10 до 100 метров способствовали формированию более чем половине базового водотока в 56% подсчетов. Наибольшие глубины наблюдались в регионах с наибольшими градиентами топографии, таких как Скалистые и Аппалачские горные хребты.
