Далеко не абсурдно предположить, что судьба человечества неразрывно связана с судьбой подземных вод Земли.
Сколько существует подземных вод и где именно они расположены? Как экстремальные погодные явления и изменение климата влияют на ресурсы подземных вод? В статье «Обучение эффективной политике» , впервые опубликованной в журнале Harvard Data Science Review, математик и инженер Ник Дадли Уорд утверждает, что наличие надежных, точных и своевременных данных о ценных ресурсах подземных вод будет иметь важное значение для нашей способности эффективно реагировать на изменение климата.
Наличие грунтовых вод поддерживало развитие человечества и сельского хозяйства на протяжении тысячелетий. В XVI веке Леонардо да Винчи представил в своем «Лестерском кодексе» множество теорий о том, как возникла Земля, включая наиболее полную запись своих размышлений о движении воды. В частности, его интересовали механизмы движения подземной воды, которая, как он предполагал, перемещалась по сети жил с поверхностными эманациями, такими как родники, чрезвычайно важный источник пресной воды в то время. Он правильно предположил, что здесь скрыто много пресной воды. Действительно, более 95 процентов пресной воды Земли в жидкой форме в настоящее время, по оценкам, находится в земле.
В более поздние времена огромные системы водоносных горизонтов, такие как Большой Артезианский бассейн в Австралии и водоносные горизонты Среднего Запада Соединенных Штатов, поддерживали неумолимый марш развития сельского хозяйства на протяжении 19 и 20 веков. Эти огромные водоносные горизонты сыграли роль глобального перестраховщика воды во время засухи. Например, в последние годы Калифорния полагалась на откачку огромных объемов грунтовых вод для поддержания сельского хозяйства в течение нескольких лет засухи. В недавнем исследовании авторы отмечают, что грунтовые воды обеспечивают две трети воды Калифорнии во время засухи по сравнению с одной третью в условиях отсутствия засухи. Другие страны, такие как отдаленное Королевство Тонга, в основном полагаются на чрезвычайно мелкие плавающие запасы подземных вод, окруженные океаном и критически подверженные повышению уровня моря.
Хотя многие из основных водоносных горизонтов Земли сильно истощены, трудно не почувствовать, что подземные воды станут еще более важными в контексте изменения климата. Однако количество подземных вод, скрытых в водоносных горизонтах Земли, остается неизвестным. Мы видим последствия истощения в больших масштабах только через снижение уровня воды в колодцах или геофизические исследования в земном масштабе. Отсутствие данных нанесло вред формированию четкой государственной политики, которая может помочь сообществам и отраслям промышленности эффективно реагировать на изменение климата. С политической точки зрения управление подземными водами часто непрозрачно. Как подчеркивается в недавней статье в The New York Times , существует отсутствие последовательного регулирования между штатами и внутри штатов. Во многих случаях доступ к подземным водам просто не регулируется или теряется в запутанной паутине правил – по сути, он открыт для всех. Ситуация усугубляется отсутствием базовых данных, например, незнанием количества скважин, не говоря уже о том, сколько воды перекачивается.
Во многих случаях доступ к подземным водам просто не регулируется или теряется в запутанной паутине правил – по сути, он открыт для всех.
Одна из проблем, связанных с обнаружением изменений в состоянии подземных вод, заключается в том, что водоносные горизонты не реагируют так, как поверхностные воды во время экстремальных погодных явлений, когда последствия наводнений или засух являются непосредственно наблюдаемыми и немедленными, что подпитывает коллективное мнение о изменение климата. Тем не менее, климатические модели говорят нам гораздо меньше об изменениях в экстремальных явлениях, чем об изменениях в среднем состоянии. Даже если нынешнее состояние развития подземных вод достигнет устойчивого состояния, очень трудно понять, как движение воды в земле будет реагировать на изменения климатических условий и, особенно, каким образом увеличится частота экстремальных погодных явлений. повлияет на движение ресурсов подземных вод Земли.
Большая часть современных представлений о данных связана с открытым доступом к данным в правильно управляемых базах данных и инструментами для анализа данных; то есть сделать данные доступными. Например, в Новой Зеландии, где существует дорожная карта стратегии данных , большие базы данных являются ключевыми темами повестки дня правительства. Однако нет ясности относительно того, как на самом деле будут заполняться определенные базы данных. Например, в случае с подземными водами зачастую данные просто не существуют — или они настолько скудны, что не заслуживают названия базы данных.
Несмотря на недостаток данных, в последние годы системы неглубоких грунтовых вод стали фигурировать в повествовании об изменении климата в Новой Зеландии. Это системы, в которых уровень грунтовых вод колеблется от метра или менее ниже поверхности земли до нескольких метров. В городских условиях они обычно не представляют интереса как водный ресурс из-за загрязнения, но могут оказывать существенное влияние на структурное состояние и целостность зданий, а также подземной инфраструктуры.
Прибрежный город Крайстчерч, Новая Зеландия (население 400 000 человек), построенный на обширной последовательности артезианских водоносных горизонтов, в период с 2010 по 2011 год пережил несколько сильных землетрясений , которые привели к существенной перестройке центрального делового района. Во время землетрясений город испытал значительное разжижение в районах с высоким уровнем грунтовых вод: насыщенная почва может разжижаться и течь (иногда сильно, как в случае с Крайстчерчем), когда подвергается сильному сотрясению. В последнее время, когда на смену землетрясениям пришло изменение климата, системы неглубоких грунтовых вод стали рассматриваться как другой вид опасности: высокий уровень грунтовых вод вместе с повышением уровня моря создают множество инженерных проблем для застроенной среды, от подземной инфраструктуры до устойчивости зданий, включая сокращение потенциального буфера непосредственных ненасыщенных недр для смягчения воздействия поверхностных наводнений.
Одним из положительных последствий землетрясений в Крайстчерче стало создание национальной геотехнической базы данных. После землетрясений были проведены тысячи испытаний для оценки прочности и реакции грунтов на динамические и статические нагрузки, а также установлено более 1000 пьезометров (устройств для измерения уровня и давления грунтовых вод) для мониторинга уровня грунтовых вод. Содержание воды является важным компонентом, определяющим прочность почвы. (Грунтовые воды также составляют значительную часть подстилающей ткани Земли, поскольку в замкнутом пространстве они испытывают напряжение. Существует множество примеров городов, от Бостона и Чарльстона до Мехико и Джакарты , где откачка грунтовых вод привела к значительному оседанию.) В районах Крайстчерч, в котором уровень грунтовых вод находился более чем на три метра ниже поверхности земли, был нанесен значительно меньший ущерб. Например, в районах разжижения Крайстчерча ущерб, причиненный предприятиям водоснабжения, был в 10 раз выше.
По словам Джона Скотта из Министерства внутренних дел Новой Зеландии, хотя «никто никому не желает большого землетрясения, положительным моментом Кентерберийских землетрясений 2010–2011 годов стало создание Новозеландской геотехнической базы данных (NZGD) и смена парадигмы в отрасли в сторону открытых данных». Раньше геотехническая информация «накоплялась» инженерными консалтинговыми компаниями, но заинтересованные стороны, в том числе консалтинговые компании и клиенты, поддержали идею обмена данными между государственным и частным секторами и создания всеобъемлющей базы данных. Ценность инженерных консалтинговых компаний заключалась в умном пользовании базой данных, а не в владении небольшой частью данных.
Обширный мониторинг уровня грунтовых вод в Крайстчерче за последние 10 лет показал, что система неглубоких грунтовых вод, лежащая в основе Крайстчерча, представляет собой очень сложную сеть. Он динамичен и очень чувствителен к внешним источникам, таким как осадки, и другим, не столь очевидным факторам, а также весьма неоднороден. Об этом свидетельствуют данные 250 автоматически отслеживаемых пьезометров, которые также выявляют очень значительные пробелы в данных, поскольку уровень грунтовых вод может значительно меняться на небольших расстояниях. В других прибрежных городах Новой Зеландии неопределенность значительно выше, чем в Крайстчерче. Из-за землетрясений проблема уровня грунтовых вод была выявлена и частично отслеживалась в Крайстчерче. В других городах Новой Зеландии об этом просто предполагают.
Характеристика неглубоких систем подземных вод в застроенной среде является основным фактором количественной оценки страхового риска. Как отмечалось выше, более низкий уровень грунтовых вод обычно приводит к более устойчивому фундаменту. И дело не только в риске землетрясений — высокий уровень грунтовых вод имеет множество других пагубных последствий для застроенной среды, начиная от сырости зданий, затопления грунтовых вод и проседания. Бенджамин Франклин писал: «Когда колодец пересыхает, мы знаем цену воды». В наше время он вполне мог бы запросить дополнительные данные о состоянии подземных вод.
Моя текущая работа в Новой Зеландии сосредоточена на сборе и анализе данных и создании математических моделей, которые будут характеризовать неглубокие системы подземных вод в городской среде с использованием сейсмических и электростатических методов, наиболее распространенных геофизических методов исследования подземных вод. В первом случае сигналы возбуждения, или триггеры, с помощью зарядов взрывчатого вещества генерируют механические звучания. В последнем случае сигналы электрического возбуждения передаются через землю для создания электростатических полей. Сигналы регистрируются в соответствующих измерительных системах. Затем решаются статистические обратные задачи, чтобы определить профиль геологической среды, при этом объем воды и скорость потока являются величинами, представляющими особый интерес. Отличительной особенностью этой работы является большое количество экспериментов, которые будут проводиться как на экспериментальной установке за пределами Крайстчерча, так и в городских районах, с целью создания большой базы данных измерений с измерительными системами, экспериментальными процедурами и компьютерным кодом для интерпретации сигналов измерений. Разработан с нуля.
Одним из преимуществ изучения неглубоких систем подземных вод в Крайстчерче является сеть мониторинговых пьезометров, установленных после землетрясений, которые можно использовать для уточнения интерпретированных данных. Однако, как отмечалось выше, системы неглубоких грунтовых вод могут быть сложными, как в Крайстчерче. Сложность частично компенсируется современными методами бурения, позволяющими извлекать образцы керна. Ключевым моментом этого исследования является установление точности и повторяемости экспериментов и интерпретируемых результатов. Это может показаться обыденным, но для улучшения качества выводов крайне важно улучшить качество данных измерений и экспериментальных процедур. Точность и надежность имеют решающее значение, поскольку ключевые решения о городском развитии (или отступлении) могут зависеть от инженерной пригодности или проблем освоения конкретного участка земли.
Улучшение характеристик систем подземных вод кажется легкой задачей, учитывая наше экзистенциальное затруднительное положение.
В целом, это исследование направлено на заполнение больших пробелов в данных и снижение значительной неопределенности в отношении систем неглубоких подземных вод и их воздействия на постоянно растущую застроенную среду, создавая потенциал для всеобъемлющей национальной базы данных по неглубоким подземным водам в Новой Зеландии. Параллельно будет осуществляться широкое взаимодействие с широким кругом заинтересованных сторон – от машиностроительной отрасли до государственных ведомств. Улучшение характеристик систем подземных вод кажется легкой задачей, учитывая наше экзистенциальное затруднительное положение. Неглубокие системы грунтовых вод — хорошее место для начала.
Грунтовые воды долгое время были окутаны тайной. Человечество интересовалось поиском подземных вод на протяжении тысячелетий. Гадание на воде до сих пор с энтузиазмом практикуется во многих странах — даже федеральными политиками в Австралии. В более современное время ученые отдают предпочтение геофизическим методам для определения характеристик недр, но, особенно при использовании традиционных методов интерпретации, существуют ограничения в отношении степени точности, которой можно достичь. В случае с подземными водами мы хотели бы иметь возможность всесторонне характеризовать и контролировать состояние системы подземных вод. Это означает способность идентифицировать водоносные слои и оценивать такие количества, как объем воды и скорость движения, с достаточной степенью точности (некоторые прорицатели воды утверждают, что они способны это сделать). Остается вопрос, насколько точно это можно сделать — или когда метод разведки подземных вод станет настоящей технологией визуализации?
Далеко не абсурдно предположить, что судьба человечества неразрывно связана с судьбой подземных вод Земли. Использование да Винчи слова «вены» для описания подземных водных систем кажется уместным. Но сбор, анализ и понимание данных о подземных водах — это очень сложная междисциплинарная работа. Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), орган ООН по оценке научных исследований, связанных с изменением климата, недавно опубликовала оценочный отчет AR6, авторами которого являются 234 ученых из 64 стран. В докладе отмечается, что трудно отличить последствия интенсивного освоения подземных вод от последствий изменения климата. Проще говоря, мы действительно не знаем, что происходит с ресурсами подземных вод Земли в результате изменения климата, поскольку эти ресурсы уже находятся под сильным стрессом, а последствия маскируются последствиями развития. Тем не менее, точно так же, как Калифорния заботится о подземных водах в периоды засухи, мы, несомненно, будем больше относиться к подземным водам Земли как к глобальному перестраховщику воды. Наличие надежных, точных и своевременных данных об этих ценных ресурсах подземных вод будет иметь важное значение для нашей способности эффективно реагировать на изменение климата.
Ник Дадли Уорд — старший научный сотрудник компании Aqualinc Research , Крайстчерч, Кентербери, Новая Зеландия, а также соредактор колонки « Эффективное изучение политики» в журнале Harvard Data Science Review, где эта история была впервые опубликована.