La scala globale della dipendenza dalle acque sotterranee

In ogni continente, le città sono cresciute intorno alla disponibilità di acqua dolce. Per milioni di abitanti urbani, l'acqua proviene da sotto i loro piedi. L'acqua di terra fornisce quasi la metà dell'acqua potabile utilizzata in tutto il mondo e rappresenta circa il 43 per cento di tutta l'acqua consumata per l'agricoltura irrigata. In molti dei centri urbani più veloci del mondo, soprattutto nelle regioni aride e semiaride, gli aquiferi non sono semplicemente una fonte supplementare ma solo.

Il passaggio verso la dipendenza dalle acque sotterranee ha accelerato nel corso del secolo scorso.I miglioramenti nella tecnologia di perforazione, la diffusione di pompe elettriche a prezzi accessibili, e il relativo basso costo di estrazione rispetto ai serbatoi di superficie di costruzione hanno fatto la scelta predefinita per molte utilità di acqua comunale.

Comprensione dei sistemi di acquisizione

Gli aquiferi sono formazioni geologiche che immagazzinano e trasmettono le acque sotterranee, che si verificano in strati di roccia permeabile, come arenaria, calcare o granito fratturato, o in sedimenti non consolidati come sabbia e ghiaia. Questi serbatoi sotterranei non sono statici; sono componenti dinamici del ciclo idrologico, ricevendo ricarica da precipitazioni, infiltrazioni di acqua superficiale e flusso laterale subsuperficiale, mentre si discaricano naturalmente in sorgenti naturali.

Tipi di Aquifers

I sistemi di aquilo sono classificati in larga misura in due categorie, ognuna risponde in modo diverso all'estrazione.

  • Le acque non confuse[] sono direttamente connesse alla superficie attraverso un materiale sovrapposto permeabile. I livelli di acqua in queste acque si alzano e cadono relativamente rapidamente in risposta alle precipitazioni e alla pompa.
  • Le acque cotte] sono tramezzate tra strati di materiale a bassa permeabilità, come l'argilla o lo scisto. L'acqua in un aquilo confinato è sotto pressione. Quando l'aquilo è appiattito, l'acqua può salire in un pozzo sopra la cima dell'aquilo, a volte anche scorrendo alla superficie naturalmente.

Il comportamento di qualsiasi aquifero dipende dalla sua capacità di stoccaggio e dalla sua trasmissivit×la capacità dell'acqua di muoversi attraverso la formazione. Insieme, queste proprietà determinano quanto l'acqua puÃ2 essere ritirata in modo sostenibile e quanto rapidamente il sistema risponde a pompare lo stress.

Il ruolo delle acque sotterranee nel bilancio dell'acqua

L'acqua di terra non è una risorsa isolata, sostiene il flusso di base nei fiumi durante i periodi asciutti, supporta gli ecosistemi delle zone umide e fornisce un tampone contro la variabilità del clima. In molti spargimenti, lo scarico delle acque sotterranee costituisce la maggior parte del flusso di flusso durante i mesi estivi.

La gestione delle risorse idriche è essenziale per la gestione delle risorse idriche come sistema unificato. Trattare le acque sotterranee e le acque superficiali come entità separate porta a decisioni di gestione che danneggiano inavvertitamente l'una mentre cerca di trarre vantaggio dall'altra.

La scala e i driver dell'estrazione dell'acqua urbana

L'urbanizzazione altera fondamentalmente il bilanciamento idrico locale. Le città concentrano la domanda in aree relativamente piccole, creano superfici impervi che riducono il ricaricamento naturale, e spesso generano inquinamento che minaccia la qualità dell'acqua.

Magnitudine di estrazione

A livello mondiale, l'estrazione delle acque sotterranee è aumentata di circa dieci volte dal 1950. Alcune stime suggeriscono che la pompazione totale delle acque sotterranee supera ora 1.000 chilometri cubi. Di questo volume, circa il 70 per cento è utilizzato per l'agricoltura, il 20 per cento per l'industria, e il 10 per cento per l'approvvigionamento domestico e comunale. Tuttavia, in molte aree urbane, la quota comunale è molto più grande, e l'acqua è spesso viene estrattata da aquiferi profondi, che non possono sostenere a lungo termine.

Perché le aree urbane si ribellano alle acque sotterranee

Le fonti di acqua di superficie sono spesso completamente assegnate, soprattutto nelle regioni aride. Le acque di terra possono essere sviluppate in modo incrementale, permettendo alle utility di espandere la fornitura in fase di crescita della popolazione. La qualità dell'acqua delle acque profonde è spesso elevata, richiedendo un trattamento minimo. L'acqua di terra è anche più resistente alle siccità a breve termine che ai serbatoi, che perdono grandi volumi all'evaporazione.

Effetti dell'estrazione dell'acqua urbana

La pompaggio prolungata delle acque sotterranee nelle aree urbane inizia una cascata di cambiamenti fisici e chimici all'interno del sistema di aquiloni. Alcuni effetti appaiono entro anni, mentre altri si dispiegano nel corso di decenni.

Delineare nei livelli dell'acqua

In aquiferi non confusi, questo significa che la zona saturata diventa più sottile. In aquiferi confinati, la testa di pressione diminuisce, riducendo la pressione artesiana che aiuta i pozzi a scorrere. Come i livelli di acqua cadono, pozzi esistenti possono essere approfonditi o sostituiti.

Il calo del livello dell'acqua può accelerare nel tempo. Poiché l'aquifero viene progressivamente esaurito, lo stesso volume di pompaggio provoca un più ampio dispendio perché meno acqua rimane immagazzinata nella formazione. Questa risposta non lineare cattura molti gestori dell'acqua di sorpresa.

Sottosegreto di terra

Quando l'acqua sotterranea viene rimossa dai sedimenti fini, la pressione del poro che una volta supportava la struttura del suolo sovrastante è ridotta. I grani sedimentari possono quindi riorganizzarsi in una configurazione più compatta. Questo processo, noto come consolidamento, fa affondare la superficie terrestre.

Le strade crepano e fibbia. Le fondamenta della costruzione si spostano, causando danni strutturali. Le fonti di fogna e acqua si rompono. Nelle città costiere, la sottosidenza aumenta il rischio di inondazione e accelera l'intrusione delle acque salate nell'aquifero. Alcuni degli esempi più drammatici si verificano nei delta urbani, dove la combinazione di compattazione dei sedimenti e aumento del livello del mare crea una doppia minaccia.

La valle di San Joaquin in California ha sperimentato una sottosidenza superiore a otto metri in alcune aree. Città del Messico, che si trova su un ex laghetto sotto la superficie di argilla morbida, ha sottratto più di dieci metri nel secolo scorso. Jakarta, una delle città più veloci della Terra, ha visto grandi aree cadere di oltre quattro metri, costringendo il governo indonesiano a pianificare una nuova capitale nell'entroterra.

Qualità dell'acqua ridotta

I tavolini declivi delle acque alterano i percorsi di flusso delle acque sotterranee e possono attirare contaminanti nell'acqua. I fascicoli urbani poco profondi sono particolarmente vulnerabili perché i terreni sovrapposti contengono spesso sostanze inquinanti provenienti da siti industriali, perdite di serbatoi di stoccaggio sotterranei, sistemi settici e deflusso agricolo.

Nelle regioni costiere emerge un problema diverso: l'acqua dolce galleggia sopra l'acqua salata più densa in un equilibrio naturale. Quando l'acqua dolce viene pompata fuori, l'acqua salata sale dal basso e migra lateralmente, invadendo la zona d'acqua dolce. Questo processo, noto come intrusione di acqua salata o intrusione di acqua di mare, può rendere i pozzi inutilizzabili per bere o l'irrigazione.

Un'altra preoccupazione per la qualità dell'acqua riguarda i contaminanti naturali. La pompaggio profondo può mobilitare arsenico, fluoro o altri elementi di traccia che sono stati precedentemente sequestrati nella matrice di aquiferi. In alcune parti del Sud Asia e dell'Africa occidentale, la mobilitazione arsenica da pompaggio intensivo di acqua sotterranea ha creato una crisi di salute pubblica che colpisce decine di milioni di persone.

Tassi di ricarica ridotti

L'urbanizzazione riduce simultaneamente la ricarica e aumenta la domanda. Il pavimento, gli edifici e i terreni compattati impediscono che le precipitazioni si infiltrano nel terreno. Stormwater è invece incanalata in sistemi di drenaggio e scaricata rapidamente a flussi o all'oceano.

Anche quando esistono spazi verdi e superfici permeabili, il tasso di ricarica può ancora in ritardo di estrazione perché il tavolo d'acqua è sceso così basso che ci vuole più tempo per infiltrazione per raggiungere la zona saturata. In alcuni aquiferi fortemente pompati, la zona vadosa (lo strato insaturi sopra il tavolo d'acqua) ha addensato a decine o centinaia di metri, aumentando notevolmente il tempo di viaggio per ricaricare e ridurre l'efficace riassorbimento annuale.

Implicazioni a lungo termine

Gli effetti individuali sopra descritti si articolano nel tempo per produrre cambiamenti sistemici nei sistemi di aquiloni regionali, che comportano gravi conseguenze per la sicurezza dell'acqua, la stabilità economica e la salute ambientale.

Ripartizione delle riserve di acqua di terra non rinnovabile

Molti dei più grandi aquiferi del mondo contengono acqua che si accumulano da migliaia a milioni di anni in condizioni climatiche passate. Questo è talvolta chiamato acqua fossile. Una volta che questa acqua viene estratta, non può essere rifornito su qualsiasi scala di tempo umano significativa. Il sistema di aquiferi di arenaria nubian in Nord Africa, il grande bacino artesiano in Australia, e l'Aquifer di Ogallala negli Stati Uniti centrali tutti contengono volumi significativi di quantità di acqua minerale.

L'esaurimento delle acque sotterranee fossili rappresenta il consumo di una risorsa finita. Quando è andata, la regione perde completamente il suo tampone idrico, lasciando le generazioni future senza l'opzione che le generazioni precedenti hanno goduto.

Costi e utilizzo dell'energia

Poiché l'acqua di terra rappresenta già una consistente frazione della domanda totale di energia elettrica in alcuni paesi, l'aumento degli impianti di pompaggio ha effetti macroeconomici. In India, ad esempio, la pompaggio delle acque sotterranee per l'irrigazione consuma circa il 20 per cento della totale energia della nazione.

La rimozione di sostanze salmastre, arseniche o industriali richiede processi di trattamento avanzati che sono di tipo capillare e di energia-ungario, che sono in definitiva passati ai consumatori, rendendo l'acqua meno accessibile alle famiglie a basso reddito.

Degradazione ambientale

La deplezione delle acque sotterranee danneggia gli ecosistemi che dipendono dallo scarico delle acque sotterranee. I flussi di semi di primavera cessano di scorrere. La vegetazione fotofitica – le piante che si radicano nella tavola dell'acqua – si allontana, riduce l'habitat per la fauna selvatica e aumenta l'erosione. Nelle zone costiere, la perdita di deflusso di acqua dolce consente all'acqua salata di spingere più interra, interessando gli ecosistemi terrestri ed estuarini.

Quando un sistema di aquile attraversa una soglia, possono verificarsi cambiamenti improvvisi e irreversibili. Una zona umida può persistere per anni con livelli di acqua in declino, poi improvvisamente asciugarsi quando la tabella dell'acqua scende sotto la zona principale delle specie chiave delle piante. Queste risposte non lineari sono difficili da prevedere ma devastanti quando si verificano.

Impatto economico sull'agricoltura e l'industria

L'agricoltura che dipende dall'aumento dei costi delle acque sotterranee e dall'affidabilità in declino. In regioni come la Central Valley of California e le High Plains of Texas, gli agricoltori hanno risposto passando a colture meno intensive o a campi di scarto, che si increspano completamente attraverso le economie locali, riducendo l'occupazione nei servizi agricoli, nelle vendite di attrezzature e nella lavorazione degli alimenti.

L'industria si trova di fronte a simili vulnerabilità.La produzione, la produzione di energia e l'estrazione mineraria richiedono tutti grandi forniture di acqua coerenti. Quando le acque sotterranee diventano scarse o costose, le strutture possono essere costrette a ridurre la produzione, a trasferirsi o investire in fonti d'acqua alternative costose.

Strategie per la gestione sostenibile

Affrontare gli effetti a lungo termine dell'estrazione dell'acqua urbana richiede un portafoglio di approcci che riducono la domanda, migliorano l'offerta e migliorano la governance.

Conservazione dell'acqua ed efficienza

Il modo meno costoso e più ecologico per ridurre lo stress delle acque sotterranee è quello di utilizzare meno acqua. I programmi di conservazione delle acque urbane possono includere il rilevamento delle perdite e la riparazione nei sistemi di distribuzione, l'installazione di apparecchi e apparecchi ad alta efficienza, strutture di prezzi a tiered che scoraggiano l'uso eccessivo e le campagne di educazione pubblica.

Ricaricare Aquifer gestita

Le tecniche di ricarica artificiale possono integrare il rifornimento naturale. I bacini di ricarica si diffondono sull'acqua su superfici permeabili dove possono infiltrarsi nell'acqua. I pozzi di iniezione forniscono acqua direttamente nella zona saturata, spesso utilizzando acque reflue o acqua di tempesta trattate. Questi approcci possono immagazzinare l'acqua durante i periodi di bagnato per l'uso durante i periodi di secco, gestendo efficacemente le acque sotterrane come riserva stagionale.

Il Distretto Acquatico della contea di Orange opera uno dei più grandi sistemi di riutilizzo dell'acqua del mondo, iniettando acqua riciclata altamente trattata in una barriera di intrusione delle acque marine. Questo progetto ha stabilizzato con successo i livelli di acqua e ha impedito una maggiore salinizzazione, fornendo una fornitura locale affidabile.

Monitoraggio e gestione degli adattamenti delle acque sotterranee

I sensori moderni possono trasmettere i dati in tempo reale, consentendo ai manager di rilevare rapidamente i problemi emergenti. I framework di gestione adattiva utilizzano i dati di monitoraggio per regolare le allocazioni di pompaggio, le operazioni di ricarica e gli obiettivi di conservazione come cambiamenti delle condizioni.

Il rilevamento remoto basato sul satellite ha aggiunto un potente strumento per il monitoraggio delle acque sotterranee. La missione satellitare GRACE misura i cambiamenti nel campo di gravità della Terra relativi ai cambiamenti nella conservazione dell'acqua. Questo dato ha rivelato allarmanti tendenze di deplezione nei principali sistemi di aquiloni in tutto il mondo, tra cui il bacino Ganges-Brahmaputra, la Central Valley e la penisola arabica.

Quadri normativi e giuridici

Le acque sotterranee sono spesso trattate come risorsa aperta, chiunque può perforare un pozzo e pompare quanto vuole, e ciò porta alla tragedia classica dei comuni, dove i singoli utenti che agiscono indipendentemente nel proprio interesse, in ultima analisi, esauriscono la risorsa condivisa.

I quadri efficaci possono includere la necessità di permessi per i nuovi pozzi, la definizione di limiti applicabili ai volumi di estrazione, la creazione di sistemi di diritti dell'acqua che proteggono gli utenti anziani, consentendo allo stesso tempo una localizzazione flessibile e progettando aree di gestione delle acque sotterranee con organi eletti o nominati di supervisione.

Gestione integrata delle risorse idriche

La gestione integrata delle risorse idriche (IWRM) tratta le acque superficiali, le acque sotterranee e il riutilizzo dell'acqua come componenti di un unico sistema. Le decisioni sulle operazioni di serbatoio, il trattamento delle acque reflue, la pianificazione dell'uso del suolo e la pompaggio delle acque sotterranee sono coordinate per raggiungere gli obiettivi di sostenibilità globali.

In pratica, IWRM potrebbe coinvolgere l'utilizzo di acqua superficiale in eccesso durante gli anni umidi per ricaricare i fascicoli, trattare le acque reflue ad uno standard adatto all'irrigazione o all'uso industriale, e regolare i programmi di pompaggio per ridurre al minimo gli impatti sul flusso di flusso durante periodi ecologici critici.

Il ruolo della tecnologia e dell'innovazione

Le tecnologie emergenti stanno espandendo il toolkit per la gestione dell'estrazione dell'acqua urbana. La deformazione delle acque sotterranee brackish può convertire una fonte inutilizzabile in alimentazione potabile, anche se i costi energetici rimangono elevati. Gli algoritmi di modellazione analitica e di apprendimento automatico possono ottimizzare i programmi di pompaggio per ridurre al minimo il rischio di sottosoddisfazione durante la richiesta di riunione.

In una banca di acque sotterranee, gli utenti immagazzinano acqua nell'aquifero durante i periodi di surplus e lo precedono durante i periodi di deficit, con i crediti di monitoraggio dell'autorità idrica e i debiti. Questi approcci basati sul mercato possono allineare il comportamento individuale con obiettivi di sostenibilità collettiva.

Conclusioni

Gli effetti a lungo termine dell'estrazione dell'acqua urbana sui sistemi di aquiloni regionali non sono teorici, sono visibili oggi nel affondamento delle terre, nell'essiccazione dei pozzi e nell'approvvigionamento idrico salinizzato di ogni continente. La scala della sfida è enorme, ma non è insormontabile.

Le città che agiscono ora per catturare l'estrazione delle acque sotterranee, investire in forniture alternative, e costruire l'infrastruttura per il rifornimento gestito può stabilizzare i loro aquiferi e garantire il loro futuro dell'acqua. Quelli che ritardano affronteranno pozzi più profondi, costi più elevati e meno opzioni come le conseguenze inevitabili di sovraccarico accumulano. La scelta è chiara e il tempo di agire è ora.

Per ulteriori informazioni sulle strategie di gestione sostenibile delle acque sotterranee, vedere il Unesco International Groundwater Resources Assessment Centre[], il [Groundwater Foundation, e il []] Programma di sostenibilità delle acque sotterranee dell'U.S.