Борьба с засухой в Зимбабве: изучение динамики грунтовых вод и рек с помощью прикладных методов ядерной науки

На местном языке лози водопад Виктория называют «Моси-оа-Тунья», или «гремящий дым». Однако к концу 2019 года гремящий водопад был больше похож на капающую струйку. Самый большой водопад Африки стал жертвой засухи в регионе. От этого пострадало и Зимбабве, расположенное на его берегах.

На местном языке лози водопад Виктория называют «Моси-оа-Тунья», или «гремящий дым». Однако к концу 2019 года гремящий водопад был больше похож на капающую струйку. Самый большой водопад Африки стал жертвой засухи в регионе. От этого пострадало и Зимбабве, расположенное на его берегах.

Засухи становятся более частыми, интенсивными и непредсказуемыми, лишая жителей страны и фермеров необходимого запаса чистой и пресной воды, влияя на продовольственную безопасность и ставя под угрозу средства к существованию 45% сельского населения. Страдают и городские районы. Поскольку энергетические сети Зимбабве сильно зависят от гидроэнергетики, длительная засуха наносит им огромный ущерб, в результате чего в городах и поселках часто возникают перебои и дефицит электроэнергии.

Решение постоянных проблем водоснабжения Зимбабве предполагает рассмотрение возможности использования ядерных методов при разработке руководств по забору подземных вод. Эта задача требует хорошего понимания характера взаимодействия между поверхностными и подземными водами, а также особенностей водных ресурсов страны.

В рамках своей программы технического сотрудничества МАГАТЭ, работая совместно с Университетом Зимбабве, Национальным управлением водного хозяйства Зимбабве, Агентством по управлению окружающей средой и Центром экологических исследований им. Гельмгольца, стремится установить посредством использования изотопной гидрологии, как между собой взаимодействуют подземные воды и речные системы страны. Их результаты помогут стране лучше управлять своими пресноводными ресурсами, бороться с загрязнением воды и обеспечивать безопасное водоснабжение населения.

«Бо́льшая часть осадков в Зимбабве выпадает в период с ноября по март; на остальное время года приходится очень длинный сухой сезон. А в последнее время хорошие дожди идут только два года из каждых пяти, — отметил Александр Мхижа, в прошлом руководитель факультета строительства и гражданского проектирования Университета Зимбабве. — Поэтому нам все больше приходится полагаться на подземные воды, но знания о зонах и темпах пополнения водоносных горизонтов ограничены. Профессиональная подготовка наших ученых и укрепление потенциала лабораторий играют ключевую роль в повышении эффективности управления водными ресурсами».

«Региональные и национальные проекты МАГАТЭ направлены на организацию обучения и поддержку партнерств внутри стран, — отметила Анна Григорян, сотрудник МАГАТЭ по вопросам управления программами для Зимбабве. — Путем координации мер реагирования на засуху, принимаемых сторонами, ответственными за водоснабжение, директивные органы Зимбабве могут принимать обоснованные решения и содействовать устойчивому управлению водоснабжением страны».

Потребность в качественной воде

Нехватка воды из-за засух далеко не единственная проблема: все более остро стоит вопрос нехватки чистой воды.

Речная вода подвержена загрязнению и доступна для множества различных загрязнителей. «Если река загрязнена, то загрязнение автоматически проникает в подземные воды. Поскольку эти два водных резервуара не изолированы друг от друга, чрезвычайно важно понять, как они взаимодействуют, не только в плане количества воды, но и в плане ее качества», — отметил Иоаннис Матиатос, изотопный гидролог МАГАТЭ.

По его словам, «путем отслеживания воды с помощью стабильных изотопов кислорода и водорода и встречающихся в природе радиоактивных изотопов, таких как тритий и радон-222, можно лучше понять сложную динамику речных и подземных водных систем». Это позволяет ученым установить, какой водоем загрязнен и как его пополнить.

В пределах водосборного бассейна реки Саве, который является основной зоной реализации проекта МАГАТЭ, важную роль в обеспечении чистой водой для питья, а также для городского и сельскохозяйственного использования играет как речная вода, так и подземные воды. В сухой сезон в этом водосборном бассейне, расположенном в восточной части Зимбабве, выпадает ограниченное количество осадков, что делает его подверженным засухе. В связи с ростом населения и экономики, зависящей от сельского хозяйства, растет и спрос на воду в этом водосборном бассейне.

Обучение ученых изотопным методам

Для того чтобы лучше понять взаимосвязь между речной водой и подземными водами, в 2018 году специалисты из Университета Зимбабве прошли обучение в Университете Аддис-Абебы в Эфиопии, а в конце того же года в лабораториях МАГАТЭ в Вене. Александр Мхижа научился оценивать геологические, гидрохимические и гидрологические данные, а также планировать полевую кампанию по отбору проб для исследуемых участков.

В июне 2021 года эксперты из Центра экологических исследований им. Гельмгольца в Лейпциге, Германия, провели пятидневный виртуальный учебный курс для специалистов из Зимбабве. Участники получили знания об основных принципах изотопной гидрологии, при этом особое внимание было уделено использованию стабильных и радиоактивных индикаторов в качестве инструментов для изучения взаимодействия поверхностных и подземных вод, методов определения возраста подземных вод и уязвимости водоносных горизонтов к загрязнению.

«Изотопные результаты, полученные местными исследователями, помогут выявить проблемы, которые необходимо решить национальной системе управления подземными водами Зимбабве, и, соответственно, позволят управлять водоснабжением страны более устойчивым образом», — отметил Михаэль Шуберт, минералог из Центра экологических исследований им. Гельмгольца в Лейпциге и один из преподавателей курса.

The need for quality water

A water shortage from droughts is not the only problem; a lack of clean water is a growing issue.

River water is susceptible to contamination and is open to many types of pollutants. “If the river is contaminated, the contamination will automatically flow through to the groundwater. As these two water bodies are not isolated from each other, it is extremely important to understand how they interact with each other, not only in terms of water amounts but also in terms of water quality,” said Ioannis Matiatos, isotope hydrologist at the IAEA.

“By using stable isotopes of oxygen and hydrogen and naturally occurring radioactive isotopes such as tritium and radon-222 to trace water, we can better understand the complex dynamics of river and groundwater systems,” he said. This allows scientists to understand which water body is contaminated and how to replenish it.

Both river and groundwater are important in providing clean water for drinking, urban, and agricultural use within the Save Catchment — the focus area of the IAEA project. Located in the eastern part of Zimbabwe, the catchment receives limited rainfall during its dry season, leaving it prone to drought. With a growing population and an economy reliant on agriculture, the demand for water in the catchment area is growing.

Training scientists on isotopic techniques

To better understand the relationship between river water and groundwater, counterparts from the University of Zimbabwe received training in 2018 at Addis Ababa University in Ethiopia, and at the end of that year, Mhizha learned at the IAEA laboratories in Vienna, how to evaluate geological, hydro-chemical and hydrological data, and design a field sampling campaign for the study sites.

In June 2021 experts from the Helmholtz Centre in Leipzig, Germany, conducted a five-day virtual training course with local experts. They were instructed in the basic principles of isotope hydrology with special emphasis on the use of stable and radioactive tracers as tools to investigate surface water-groundwater interactions; groundwater dating techniques; and the vulnerability of aquifers to contamination.

This online training will be followed with an in-person expert visit to the country by the end of the year, to further train Zimbabwean experts on sampling and analytical techniques, interpretation of results, and in using specialised laboratory equipment. Local scientists will then be able to independently continue isotopic analysis over several seasons to generate data and understand interactions between the different components of the water cycle.

“The isotopic results found by local researchers will help identify the challenges Zimbabwe’s national groundwater management system needs to tackle and, in turn, enable more sustainable management of the country’s water supply,” said Michael Schubert, a mineralogist at the Centre in Leipzig and one of the trainers of the course. 

THE SCIENCE

Using environmental isotopes to trace surface water and groundwater pathways

Bodies of water are naturally labelled with unique isotopic signatures. A laser spectroscopic analyser is used to determine the unique isotopic signature or fingerprint based on the relative proportion of the different isotopes present in a water sample. By using these signatures, water origin and movement can be tracked through the entire water cycle.

Naturally occurring radioactive isotopes, such as radon-222 (Rn-222), tritium (hydrogen-3), carbon-14 (C-14) are powerful tools that allow scientists to date very young to old groundwater systems and trace their contribution in river water discharge. This information informs water specialists on the nature, history and flow of sampled river and groundwater and helps them calibrate and improve numerical models that predict the response of rivers and aquifers to abstractions and climate change.