Подземные воды карстовых регионов — это жизненно важные ресурсы, обеспечивающие питьевой водой почти 10% населения планеты. Однако человеческая деятельность и глобальные изменения ухудшили качество карстовых вод и зависящих от них экосистем.
В новой статье, опубликованной в журнале «Reviews of Geophysics», рассматривается перенос загрязняющих веществ в карстовых подземных водах и недавние попытки его моделирования. Авторы статьи дают обзор карстовых водоносных горизонтов, способов моделирования переноса загрязняющих веществ и направлений будущих исследований.
Что такое карстовые водоносные горизонты и где они образуются?
Карстовые водоносные горизонты — это подземные резервуары воды, которые образуются в растворимых породах, таких как известняк или доломит. Тысячи лет растворения этих пород формируют сложные подземные сети каналов, пещер и трещин (рис. 1). Эти уникальные системы встречаются по всему миру — от Флориды до Динарских Альп — и обеспечивают питьевой водой почти каждого десятого человека в мире, поддерживая при этом функционирование экосистем.
Рисунок 1. Концептуальные представления процессов переноса в карстовом водоносном горизонте в разных пространственных масштабах: а) 3D-блоковая диаграмма масштаба карстового водоносного горизонта; б) масштаб водоносного горизонта; в) масштаб скважины; г) масштаб одиночной трещины; д) уровень порового масштаба (описывается в репрезентативном элементарном объёме, REV). Здесь разложение загрязняющих веществ описывается химической трансформацией, на которую влияют физические, химические и (биогео)химические процессы. На рисунке показано только антропогенное загрязнение, обозначенное диффузными (площадными) и точечными источниками, поскольку оба являются ключевыми источниками загрязнения в карстовых водоносных горизонтах.
Почему важно понимать карстовые водоносные горизонты?
Карстовые водоносные горизонты важны, поскольку они быстро реагируют на изменения окружающей среды, а загрязняющие вещества могут быстро распространяться по их уникальным подземным сетям. Из-за того, что вода движется так быстро и по непредсказуемым путям, трудно определить, как долго загрязняющие вещества будут сохраняться или куда они попадут. Понимание этих систем имеет ключевое значение для обеспечения безопасной питьевой воды и защиты зависящих от них экосистем.
Каковы основные источники загрязнения карстовых водоносных горизонтов?
Загрязняющие вещества поступают как из природных, так и из антропогенных источников. К распространённым угрозам относятся промышленные химикаты, сельскохозяйственные стоки, канализация и изменения в землепользовании. Даже такие природные элементы, как мышьяк или уран, могут представлять риск, если они растворяются в подземных водах. Из-за тонких почв и быстро движущейся воды в карстовых водоносных горизонтах у загрязняющих веществ остаётся мало времени и пространства для фильтрации или разложения, прежде чем они распространятся (рис. 1).
Как учёные отслеживают загрязнение в карстовых водоносных горизонтах?
Учёные используют трассирующие тесты — добавляя безвредный краситель или химическое вещество в воду и отслеживая, куда оно идёт, — чтобы составить карту потока воды. Они также анализируют природные «трассеры», такие как изотопы или химические сигналы, уже присутствующие в воде. Эти методы помогают нам понять, как быстро движется вода, как долго она остаётся под землёй и как смешиваются разные источники (рис. 2).
Рисунок 2. Мониторинг пространственно-временного распределения шлейфов загрязняющих веществ в карстовых системах. Здесь аббревиатуры Adv, Dis и Diff относятся к процессам адвекции (или адвективного потока), дисперсии и диффузии соответственно. Sp (сорбция) и Rc (химическая реакция) указывают на влияние замедления и реактивных процессов на движение шлейфа растворённого вещества. На рисунке C0 и C обозначают начальную концентрацию растворённого вещества и концентрацию растворённого вещества в данный момент времени соответственно. Здесь ti указывает на время первого обнаружения растворённого вещества, представляющего интерес (например, в наблюдательной скважине), а tobs относится к наблюдаемым концентрациям в интересующий момент времени. На рисунке двусторонние красные стрелки указывают на обмен растворённым веществом/массой между каналом и матрицей.
Какие виды моделей разрабатываются для отслеживания движения загрязняющих веществ в карстах?
Исследователи разрабатывают компьютерные модели, которые имитируют движение воды и загрязняющих веществ через сложную карстовую сеть. Эти модели варьируются от упрощённых крупномасштабных представлений до детальных симуляций потока карстовых вод через каналы и трещины (рис. 3). Они помогают нам исследовать различные сценарии — например, как загрязняющее вещество может распространиться после наводнения или как изменения в землепользовании влияют на качество воды. Поэтому они необходимы для эффективного управления качеством карстовых вод и планирования стратегий предотвращения загрязнения.
Рисунок 3. Общая классификация моделей карстового моделирования на основе параметризации модели с учётом сложности процессов и требований к данным. а) Концептуализация физических границ карстового водоносного горизонта, изображённых заштрихованной серой областью с обозначенным синим цветом каналом карста и сетью каналов (пустые кружки также описывают провалы/воронки вдоль сети каналов), б) Пространственно-сосредоточенные модели карстового моделирования, изображённые на основе распределения концентрации растворённого вещества по разным карстовым отсекам, включая эпикарст, канал и матрицу, в) Пространственно-распределённые модели карстового моделирования, описанные с учётом пространственного распределения концентрации растворённого вещества. Классификация адаптирована из Hartmann et al. [2014]. Здесь трассирующий тест описан только для демонстрации пространственного распределения шлейфа загрязнения в рамках двух основных подходов к карстовому моделированию.
Каковы основные проблемы моделирования карстового транспорта?
Самая большая проблема — это неоднородность: карстовые системы невероятно изменчивы во всех масштабах. Нам часто не хватает подробных данных о форме подземных каналов, скорости потока или химических условиях. Это затрудняет создание надёжных моделей. Даже небольшие изменения в движении воды могут сильно повлиять на поведение загрязняющих веществ, поэтому улучшение точности моделей является основным направлением исследований.
Какие дополнительные исследования, данные или усилия по моделированию необходимы для преодоления этих проблем?
Нам нужны более качественные полевые данные — от трассирующих тестов, мониторинга подземных вод и картографирования — для калибровки и проверки моделей. Достижения в области дистанционного зондирования и машинного обучения также предлагают новые инструменты. Будущие исследования должны сосредоточиться на интеграции гидрологических, химических и биологических процессов и на переводе результатов моделирования в практические решения. Междисциплинарное сотрудничество имеет ключевое значение для лучшего понимания, управления и защиты карстовых водных ресурсов в меняющемся мире.
— Kübra Özdemir Çallı (kuebra.oezdemir_calli@tu-dresden.de, 0000-0003-0649-6687), Институт управления подземными водами, ТУ Дрезден, Германия; Andreas Hartmann (andreas.hartmann@tu-dresden.de, 0000-0003-0407-742X), Институт управления подземными водами, ТУ Дрезден, Германия.
Citation: Çallı, K. Ö., and A. Hartmann (2025), Загрязнение подземных вод в карстовых регионах: к созданию более совершенных моделей, Eos, 106, https://doi.org/10.1029/2025EO255022. Опубликовано 22 июля 2025 года.