Подземные воды составляют около 30 процентов мировых запасов пресной воды. Это делает их важным ресурсом для решения актуальных глобальных вопросов, связанных с ростом населения планеты, расширением сельского хозяйства и увеличением расхода воды в различных отраслях, таких как добыча нефти и газа, горнодобывающая промышленность, производство одежды и текстиля, а также животноводство. Чтобы обезопасить подземные воды от угроз чрезмерной добычи или загрязнения, а также для обеспечения устойчивого управления ими в будущем, важно понимать, откуда берутся подземные воды в тех или иных местах, каково их качество и как быстро они восполняются. Ученые могут проводить такие исследования, анализируя «отпечатки пальцев» воды, называемые изотопами, которые представляют собой вариации атомов в молекуле воды.
Устойчивость и загрязнение подземных вод: как ученые их изучают?
Что есть что в ядерной сфере
Подземные воды составляют около 30 процентов мировых запасов пресной воды. Это делает их важным ресурсом для решения актуальных глобальных вопросов, связанных с ростом населения планеты, расширением сельского хозяйства и увеличением расхода воды в различных отраслях, таких как добыча нефти и газа, горнодобывающая промышленность, производство одежды и текстиля, а также животноводство.
Что такое подземные воды?
Подземные воды — это водные ресурсы, находящиеся под землей. Они могут быть скрыты в трещинах и пространствах в скальных породах и осадочных отложениях, образуя подземный ресурс, содержащийся в так называемых водоносных горизонтах. В зависимости от особенностей водоносного горизонта, подземные воды могут быть извлечены через насосные скважины для использования в целях водоснабжения, водоснабжения промышленных предприятий, орошения, а также для других связанных с жизнедеятельностью человека целей.
Как формируются водоносные горизонты и почему настолько важно использовать их разумно?
Подземные воды являются частью круговорота воды. После дождя часть воды впитывается в почву и под воздействием силы тяжести оседает вниз через подпочву и движется до тех пор, пока не достигнет плотной, непроницаемой породы, известной как водоупор. Многие водоносные горизонты связаны с реками и другими поверхностными водоемами, которые поддерживают их в сухой сезон. В сезон дождей эта система может работать в обратном направлении: подземные воды возвращаются в реки и озера и пополняют их.
Скорость восполнения водоносного горизонта зависит от климата и окружающей среды в том месте, где оно происходит. Водоносные горизонты в районах с небольшим количеством осадков могут восполняться веками. В то же время неглубокие водоносные горизонты в районах с большим количеством осадков могут восполняться практически мгновенно. Таким образом изменение климата, которое приводит к более интенсивным засухам и к более интенсивному выпадению осадков, влияет на скорость восполнения водоносных горизонтов, а также на объем подземных водных ресурсов, доступных для устойчивого использования.
Активное использование подземных вод для нужд человечества, например, в сельском хозяйстве или промышленности, в масштабах, не соответствующих скорости восполнения водоносных горизонтов, может поставить под угрозу не только их сохранность (в случае осушения они могут исчезнуть), но и привести к уменьшению общего количества воды, доступной человеку, поскольку подземные воды составляют значительную часть имеющихся в мире запасов пресной воды.
Кроме того, подземные воды не всегда могут быть достаточно чистыми для использования человеком. Деятельность человека, такая как сброс сточных вод или чрезмерное использование пестицидов и удобрений, включая навоз животных, является одним из основных источников загрязнения подземных вод. Поэтому определение происхождения загрязняющих веществ является первым шагом на пути к решению проблем, связанных с качеством воды. Проект технического сотрудничества МАГАТЭ посвящен изучению влияния изменения климата и деятельности человека на подземные водоносные горизонты в странах Восточной Европы и Центральной Азии. Чтобы узнать больше, перейдите по ссылке.
Водоносные горизонты являются неотъемлемой частью круговорота воды, и скорость их пополнения зависит в том числе от количества осадков (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ).
Потенциальные источники загрязнения подземных вод в результате деятельности человека (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ).
Что такое изотопы и как они могут помочь ученым оценить состояние воды?
Молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода. Некоторые разновидности атомов одного и того же химического элемента, называемые изотопами, могут быть использованы для изучения круговорота воды, в том числе, подземных вод.
Изотопы — это атомы одного и того же элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.
Различные «изотопные» методы используются для измерения количества и соотношения изотопов, а также для отслеживания их происхождения, истории, источников и взаимодействий в окружающей среде.
В зависимости от того, откуда она поступает, вода имеет уникальные изотопные «отпечатки пальцев», также называемые изотопной сигнатурой. Ученые анализируют изотопы, чтобы проследить движение и источники загрязнения воды на разных этапах ее круговорота.
Как изотопы помогают ученым выявить чрезмерное использование подземных вод?
Ученые используют изотопы в масштабных исследованиях водных ресурсов, чтобы оценить их количество, возраст и происхождение, а также установить, является ли устойчивым объем воды, используемый людьми.
К примеру, естественные радиоизотопы, содержащиеся в подземных водах, такие как тритий, углерод-14 и инертные газы гелий-3, гелий-4 и криптон-81, используются для получения информации о возрасте подземных вод и временных циклах, связанных с их движением. Анализируя концентрацию различных комбинаций стабильных изотопов и радиоизотопов, ученые могут рассчитать, когда именно происходит пополнение запасов воды в водоносных горизонтах, как быстро движутся потоки подземных вод и сколько времени требуется для их восполнения. Благодаря этим данным можно установить, в частности, не расходуется ли в отдельно взятом сельскохозяйственном районе больше подземных водных ресурсов, чем может быть своевременно восполнено для обеспечения ирригации в долгосрочной перспективе.
Анализируя изотопы в подземных водах, ученые могут определить их возраст и сделать вывод о том, сколько времени потребуется водоносному горизонту для восполнения, исходя из объемов выкачанной для нужд человека воды (Инфографика: Адриана Варгас/МАГАТЭ).
Как ученые используют изотопы для изучения загрязнения подземных вод?
Для обнаружения загрязняющих веществ, включая нитраты и сульфаты, ученые используют определенные изотопы, такие как азот-15, кислород-18 и сера-34. Кроме того, эти изотопы используются для определения пригодности подземных вод в том или ином месте к использованию человеком.
Ученые могут установить, что источником загрязнения воды, содержащей избыточное количество нитратов, являются отходы жизнедеятельности человека или удобрения. Нитрат-ионы состоят из азота и кислорода, причем азот имеет два изотопа, а кислород — три. Соотношение этих изотопов в отходах жизнедеятельности человека и в удобрениях отличается, и с помощью этого различия можно определить источник загрязнения. Установление источника загрязнения воды является важным шагом к улучшению ее качества и повышению устойчивости управления водными ресурсами.
Какую роль играет МАГАТЭ?
- МАГАТЭ применяет изотопную гидрологию для поддержки государств-членов в оценке водных ресурсов и устойчивом управлении водными ресурсами. Кроме того, через посредство своей Лаборатории изотопной гидрологии Агентство предоставляет помощь и обучение лабораториям и специалистам в сфере аналитических услуг.
- МАГАТЭ разработало широкий спектр учебных курсов, на которых проводится обучение основам изотопной гидрологии и изотопному анализу стабильных изотопов, трития и благородных газов.
- В рамках своей программы технического сотрудничества МАГАТЭ тесно сотрудничает с государствами-членами с целью повысить доступность и устойчивость пресноводных ресурсов путем проведения научно обоснованных комплексных оценок водных ресурсов.
- В партнерстве со Всемирной метеорологической организацией МАГАТЭ управляет Глобальной сетью «Изотопы в осадках» (ГСИО), которая предоставляет научные консультации, логистическую и техническую поддержку в области изотопной гидрологии.
What is groundwater?
Groundwater is water found underground. It can be hidden in the cracks and spaces within rocks and sediments, forming an underground resource, hosted in what is known as an “aquifer”. Depending on the characteristics or the aquifer, groundwater can be extracted, using pumping wells, for irrigation, drinking and industrial water supply and other human activities.
How are aquifers formed and why should we use them wisely?
Groundwater is part of the water cycle. Following rainfall, some water soaks into the soil and, driven by gravity, migrates downwards continuously through the subsoil and moves until it is eventually stopped by compact, impermeable rock, called an aquiclude. Many aquifers are connected to, and fed by, rivers and other surface water bodies, during the dry season. In the wet season, this system can be reversed with groundwater moving back into rivers and lakes and replenishing them.
The rate at which an aquifer is replenished depends on the climate and environment in the location where recharge is happening. Aquifers in an area of low rainfall might take centuries to get refilled. In contrast, shallow aquifers in an area of substantial rainfall may be replenished almost immediately. Thus, climate change, which results in more intense droughts, but also more intense localised rainfall, has an impact on how fast aquifers refill and, by extension, on how much groundwater people can use sustainably.
The intensive use of groundwater for human activities, such as agriculture and industry, at a scale that exceeds the speed at which aquifers refill, may put at risk not only the integrity of the aquifers, which risk collapse if they are drained, but also the global amount of water that people can use, because groundwater constitutes an important part of the world’s available freshwater.
Additionally, groundwater may not always be clean enough for human use. Human activities carried out on the surface, such as sewage disposal and the overuse of pesticides and fertilizers, including animal manure, are among the main sources of contamination and pollution of groundwater. Knowing the origin of pollutants, therefore, is the first step toward addressing problems of water quality.
Aquifers are an integral part of the water cycle, and their replenishment rate depends on rainfall, among other factors (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).
Potential sources of groundwater pollution by human activities (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).
What are isotopes and how can they help scientists understand water?
The water molecule is composed of atoms of oxygen and hydrogen. Some variations of the atoms of the same chemical element, called isotopes, can be used to study the water cycle, including groundwater.
Isotopes are atoms of the same element with the same number of protons but a different number of neutrons.
Different “isotopic” techniques are used to measure isotope amounts and proportions, and to trace their origin, history, sources and interactions in the environment.
Water has a different or unique isotopic “fingerprint”, or “isotopic signature”, depending on where it comes from. Scientists analyze isotopes to track the movement and pollution sources of water along its path through the water cycle.
How do scientists use isotopes to establish whether groundwater is being overused?
Scientists use isotopes in large-scale studies on water, to assess its amount, age, and origins, and to establish whether the amount being used by people is sustainable.
For example, radioisotopes naturally present in groundwater, such as tritium, carbon-14, and noble gases helium-3, helium-4 and krypton-81, are used to learn more about how old groundwater is and the timescales of groundwater flow. By analyzing the concentration of different combinations of both stable and radio-isotopes, scientists can calculate when exactly the water is recharged in aquifers, how fast groundwater flows, and how long it takes to replenish. With this data, it is possible to establish, for example, whether or not agricultural activities in a specific area are demanding an amount of groundwater that will not be replenished fast enough to sustain irrigation needs in the long run.
By analyzing the isotopes in groundwater, scientists can establish how old the water is, and deduce how long it will take for an aquifer to recharge based on how much water is being pumped for human activities (Infographic: Adriana Vargas/IAEA).
How do scientists use isotopes to study groundwater pollution?
Scientists use specific isotopes like nitrogen-15, oxygen-18, and sulfur-34 to identify pollutants such as nitrate and sulphates. They also use these isotopes to establish whether the groundwater in a specific location is safe for human use.
For example, scientists can establish whether water contaminated with an excessive amount of nitrate is being polluted by either human waste or by fertilizers. Nitrate ions are made up of nitrogen and oxygen, and nitrogen has two isotopes while oxygen has three. The ratio of these isotopes is different in human waste and in fertilizers. Therefore, the source of pollution can be identified based on these isotopic differences. Knowing the origins of pollutants is a milestone in addressing problems with water quality and working toward the sustainable management of water resources.
What is the role of the IAEA?
- The IAEA uses isotope hydrology to support Member States in water resources assessment and sustainable water management. The Agency also provides assistance and training to laboratories and scientists on analytical services through its Isotope Hydrology Laboratory.
- Offering a wide range of courses, the IAEA provides training on the fundamentals of isotope hydrology and isotopic analyses of stable isotopes, tritium and noble gases.
- Through its technical cooperation programme, the IAEA collaborates closely with its Member States to improve the availability and sustainability of freshwater resources through science-based, comprehensive water resources assessments.
- Partnering with the World Meteorological Organization, the IAEA operates the Global Network of Isotopes in Precipitation, which contains scientific advice, logistics and technical support in isotope hydrology.
This article was first published on 22 March 2023.