Nước ngầm là gì? Các công bố khoa học về Nước ngầm

Việc trộn lẫn phân tán do dòng chảy phức tạp trong môi trường xốp không đồng nhất ba chiều được phân tích bằng cách sử dụng lý thuyết continuum ngẫu nhiên. Các nghiệm ngẫu nhiên của phương trình dòng chảy ổn định nhiễu loạn và phương trình vận chuyển chất tan được sử dụng để xây dựng dòng chảy phân tán vĩ mô và đánh giá tensor phân tán vĩ mô thu được theo một hiệp phương sai đầu vào ba chiều, không đồng nhất thống kê mô tả độ dẫn thủy lực. Với hiệp phương sai đầu vào đồng nhất thống kê, phân tán vĩ mô theo chiều dài bị kiểm soát bởi dòng chảy, nhưng phân tán vĩ mô theo chiều ngang tỉ lệ thuận với phân tán địa phương và nhỏ hơn nhiều lần so với yếu tố theo chiều dài. Với hiệp phương sai độ dẫn không đồng nhất được định hướng một cách tùy ý, tất cả các thành phần của tensor phân tán vĩ mô đều được kiểm soát bởi dòng chảy, và tỷ lệ giữa phân tán chiều ngang và chiều dài có giá trị khoảng 10⁻¹. Trong trường hợp này, các thành phần không đối角 của tensor phân tán là quan trọng, có giá trị lớn hơn về mặt số so với các thành phần đối角 chiều ngang, và quá trình phân tán chiều ngang có thể rất không đồng nhất. Các phân tán được dự đoán bởi lý thuyết ngẫu nhiên được chứng minh là nhất quán với các thí nghiệm trên trường có kiểm soát và các mô phỏng Monte Carlo. Lý thuyết này, xem xét điều kiện tiệm cận của di chuyển lớn, chỉ ra rằng mối quan hệ truyền tải gradient cổ điển (Fickian) là hợp lệ cho các di chuyển quy mô lớn.

Tóm tắt. Tưới tiêu là lĩnh vực sử dụng nước quan trọng nhất, chiếm khoảng 70% tổng lượng nước ngọt khai thác trên toàn cầu và 90% tổng lượng nước tiêu thụ. Dù diện tích tưới tiêu và các sử dụng nước liên quan được báo cáo trong các cơ sở dữ liệu thống kê hoặc ước tính qua mô hình mô phỏng, thông tin về nguồn nước tưới tiêu lại rất hiếm và rải rác. Ở đây, chúng tôi trình bày một danh mục toàn cầu mới về diện tích được tưới tiêu bằng nước ngầm, nước mặt hoặc nguồn không thông thường, và chúng tôi xác định các sử dụng nước tiêu thụ liên quan. Danh mục này cung cấp dữ liệu cho 15.038 đơn vị hành chính quốc gia và cấp dưới quốc gia. Diện tích tưới tiêu được cung cấp từ thống kê dựa trên điều tra dân số từ các tổ chức quốc tế và quốc gia. Một mô hình toàn cầu sau đó đã được áp dụng để mô phỏng các sử dụng nước tiêu thụ cho tưới tiêu theo nguồn nước. Trên toàn cầu, diện tích được trang bị cho tưới tiêu hiện khoảng 301 triệu ha, trong đó 38% được trang bị cho tưới tiêu bằng nước ngầm. Tổng lượng nước ngầm tiêu thụ cho tưới tiêu được ước tính là 545 km3/năm, tương đương 43% tổng lượng nước tiêu thụ cho tưới tiêu là 1277 km3/năm. Các quốc gia có diện tích được trang bị tưới tiêu bằng nước ngầm lớn nhất, theo số tuyệt đối, là Ấn Độ (39 triệu ha), Trung Quốc (19 triệu ha) và Hoa Kỳ (17 triệu ha). Việc sử dụng nước ngầm trong tưới tiêu đang tăng lên cả về số tuyệt đối và tỷ lệ phần trăm của tổng lượng tưới tiêu, dẫn đến việc một số khu vực có nồng độ người sử dụng khai thác nguồn nước ngầm với tốc độ cao hơn mức tái nạp nước ngầm. Dù có những không chắc chắn liên quan đến dữ liệu thống kê có sẵn để theo dõi các mô hình và sự gia tăng sử dụng nước ngầm cho tưới tiêu, danh mục được trình bày ở đây là một bước quan trọng hướng tới một đánh giá rõ ràng hơn về sử dụng nước trong nông nghiệp và những tác động của nó đối với chu trình nước toàn cầu.

Một thí nghiệm trong chậu được thực hiện để so sánh hai chiến lược xử lý ô nhiễm bằng thực vật: tích tụ tự nhiên sử dụng thực vật siêu tích tụ Zn và Cd là Thlaspi caerulescens J. Presl & C. Presl so với chiết xuất cải tiến hóa học sử dụng ngô (Zea mays L.) được xử lý bằng axit ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA). Nghiên cứu sử dụng đất bị ô nhiễm công nghiệp và đất nông nghiệp bị ô nhiễm kim loại từ bùn thải. Ba vụ mùa của T. caerulescens trồng trong vòng 391 ngày đã loại bỏ hơn 8 mg kg⁻¹ Cd và 200 mg kg⁻¹ Zn từ đất bị ô nhiễm công nghiệp, tương đương 43% và 7% các kim loại trong đất. Ngược lại, nồng độ Cu cao trong đất nông nghiệp đã làm giảm nghiêm trọng sự phát triển của T. caerulescens, do đó hạn chế tiềm năng chiết xuất của nó. Quá trình xử lý bằng EDTA đã tăng đáng kể tính hòa tan của kim loại nặng trong cả hai loại đất, nhưng không dẫn đến tăng lớn hàm lượng kim loại trong chồi ngô. Chiết xuất Cd và Zn bằng ngô + EDTA nhỏ hơn nhiều so với T. caerulescens từ đất bị ô nhiễm công nghiệp, và nhỏ hơn (Cd) hoặc tương tự (Zn) so với đất nông nghiệp. Sau khi xử lý bằng EDTA, kim loại nặng hòa tan trong nước lỗ chân lông của đất chủ yếu tồn tại dưới dạng phức hợp EDTA-kim loại, duy trì trong vài tuần. Hàm lượng cao của kim loại nặng trong nước lỗ chân lông sau quá trình xử lý EDTA có thể gây nguy cơ môi trường dưới dạng ô nhiễm nước ngầm.

Tóm tắt. Đã được công nhận rộng rãi rằng các vùng đất ngập nước có ảnh hưởng đáng kể đến chu trình thủy văn. Do đó, các vùng đất ngập nước đã trở thành những yếu tố quan trọng trong chính sách quản lý nước ở cấp độ quốc gia, khu vực và quốc tế. Có nhiều ví dụ cho thấy các vùng đất ngập nước giảm lũ lụt, bổ sung nước ngầm hoặc tăng cường dòng chảy thấp. Tuy nhiên, ít được công nhận hơn là nhiều ví dụ cho thấy các vùng đất ngập nước làm tăng lũ lụt, trở thành rào cản cho việc bổ sung nước, hoặc giảm dòng chảy thấp. Bài báo này trình bày một cơ sở dữ liệu gồm 439 tuyên bố đã được công bố về chức năng lượng nước của các vùng đất ngập nước từ 169 nghiên cứu trên toàn thế giới. Điều này thiết lập một tiêu chuẩn về kiến thức tổng hợp về ảnh hưởng của vùng đất ngập nước đối với lưu lượng sông hạ lưu và các tầng chứa nước ngầm. Sự chú trọng được đặt lên các chức năng thủy văn liên quan đến cân bằng nước tổng thể, bổ sung nước ngầm, dòng chảy nền và dòng chảy thấp, phản ứng với lũ lụt và biến động lưu lượng sông. Các tuyên bố chức năng được cấu trúc theo loại thủy văn của vùng đất ngập nước và cách thức mà các kết luận chức năng đã được rút ra. Một tổng hợp các tuyên bố chức năng thiết lập sự cân bằng của bằng chứng khoa học cho các biện pháp thủy văn cụ thể. Bằng chứng cho thấy sự đồng thuận mạnh mẽ cho một số biện pháp thủy văn cho một số loại vùng đất ngập nước nhất định. Đối với các biện pháp thủy văn khác, có sự đa dạng chức năng cho các vùng đất ngập nước có vẻ tương tự. Sự cân bằng của bằng chứng khoa học đang nổi lên chỉ cung cấp hỗ trợ hạn chế cho mô hình tổng quát về kiểm soát lũ lụt, khuyến khích bổ sung và duy trì dòng chảy bởi các vùng đất ngập nước được mô tả trong suốt thập niên 1990 như một thành phần trong cơ sở xây dựng chính sách vùng đất ngập nước. Sự hỗ trợ đó chủ yếu bị giới hạn ở các vùng đất ngập nước vùng trũng, trong khi nhiều loại vùng đất ngập nước khác thực hiện các chức năng khác – một phần hoặc hoàn toàn. Bài báo này cung cấp bước đầu tiên hướng tới một hệ thống đánh giá chức năng khoa học có tính chất phòng thủ hơn.

Phân bón đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nông nghiệp hiện đại, nhưng số phận lâu dài của nitơ từ phân bón trong hệ thống cây trồng - đất - nước vẫn chưa được hiểu rõ. Nghiên cứu sử dụng chất chỉ thị này cho thấy rằng ba thập kỷ sau khi áp dụng phân bón N có dán nhãn đồng vị vào đất nông nghiệp vào năm 1982, 12–15% N từ phân bón vẫn đang tồn tại trong chất hữu cơ của đất, trong khi 8–12% N từ phân bón đã rò rỉ xuống nước ngầm. Một phần N từ phân bón còn lại vẫn đang tồn tại trong đất dự đoán sẽ tiếp tục được cây trồng hấp thụ và rò rỉ xuống nước ngầm dưới dạng nitrat ít nhất trong năm thập kỷ nữa, lâu hơn nhiều so với dự đoán trước đây.

Xã hội đang đối mặt với tình thế khó xử đa chiều về việc cân bằng một cách bền vững đời sống hiện tại với nhu cầu tài nguyên trong tương lai. Hiện tại, nông nghiệp đang khai thác Tầng chứa nước Ngầm Cao nguyên với mức độ vượt quá khả năng tự bù đắp tự nhiên, nhằm trồng trọt các cây trồng tưới nước và chăn nuôi gia súc để tăng cường kho lương thực toàn cầu, do đó cần có thông tin dựa trên cơ sở khoa học để hướng dẫn các quyết định. Chúng tôi giới thiệu các phương pháp mới để dự đoán xu hướng bơm nước ngầm và sản xuất ngô tưới tiêu và gia súc. Mặc dù sự suy giảm sản xuất là điều không thể tránh khỏi, nhưng phân tích kịch bản chỉ ra tác động của việc tăng cường tiết kiệm nước trong ngắn hạn, điều này sẽ kéo dài tuổi thọ khả dụng của tầng chứa nước, tăng sản lượng ròng và tạo ra sự suy giảm sản xuất ít rõ rệt hơn.

Do nước ngầm là một nguồn tài nguyên thiết yếu cho con người và hệ sinh thái, cần có sự hiểu biết tốt hơn về các yếu tố kiểm soát cơ bản đối với quá trình tái nạp và sự tương tác của nó với sự biến đổi thực vật. Chúng tôi đã phân tích hơn 600 ước lượng về tái nạp nước ngầm để có được phân tích toàn cầu đầu tiên về tái nạp và các loại thực vật. Trên toàn cầu, đất canh tác có tỷ lệ đầu vào nước (WI = lượng mưa + tưới tiêu) chuyển hóa thành tái nạp cao nhất, tiếp theo là đồng cỏ, rừng và đất cây bụi (tỷ lệ tái nạp trung bình: 0.11, 0.08, 0.06 và 0.05, tương ứng; P < 0.0001). Một mô hình hồi quy theo từng bước đã chỉ ra rằng WI có mối liên hệ mạnh nhất với tái nạp nói chung, tiếp theo là loại thực vật, tiềm năng bốc hơi bay hơi (PET), độ dẫn nước bão hòa dựa trên kết cấu đất (K_s), và tính mùa vụ của lượng mưa (R² = 0.29, 0.16, 0.12, 0.06, và 0.01, tương ứng; P < 0.0001). Tái nạp tăng lên khi tăng WI, K_s, và tính mùa vụ của lượng mưa nhưng giảm khi tăng PET. Sự khác biệt tương đối trong tái nạp giữa các loại thực vật lớn hơn ở các vùng khí hậu khô hạn và đất sét, cho thấy sự kiểm soát sinh học lớn hơn đối với dòng chảy nước trong đất dưới những điều kiện này. Để kiểm tra thêm mối quan hệ giữa tái nạp và thực vật, chúng tôi đã so sánh dữ liệu tổng hợp toàn cầu với các ước lượng tái nạp thực địa song song của chúng tôi ở các khu vực đồng cỏ, đất canh tác và rừng ở Pampas của Argentina và miền tây nam Hoa Kỳ. Các ước lượng tái nạp thực địa của chúng tôi tương tự như, và theo cùng một mô hình tái nạp dưới các loại thực vật trong dữ liệu tổng hợp, cho thấy rằng các thay đổi về sử dụng đất sẽ tiếp tục thay đổi động lực tái nạp và các quá trình trong vùng đất không bão hòa trên toàn cầu. Kết quả của nghiên cứu này nhấn mạnh những tác động của quản lý sử dụng đất đối với việc sử dụng nước ngầm bền vững và cũng nên giúp kiểm tra và cải thiện các ước lượng tái nạp trong các mô hình cân bằng nước và khí hậu quy mô lớn.

Việc chôn lấp chất thải rắn tại các bãi rác không được thiết kế đúng quy cách là rất phổ biến ở các nước đang phát triển. Trong số những bất lợi khác nhau của loại hình chôn lấp này, nước rỉ là mối quan tâm chính đối với sức khỏe cộng đồng, là sản phẩm độc hại tạo ra từ bãi rác; và có thể ngấm vào nước ngầm và do đó di chuyển vào nước mặt. Thông qua việc tiến hành đánh giá hệ thống dữ liệu đã công bố, nghiên cứu hiện tại cố gắng so sánh tiềm năng ô nhiễm nước rỉ của bốn bãi rác chính tại Bangladesh, bao gồm Amin Bazar, Matuail, Mogla Bazar và Rowfabad; nằm ở 3 trong số 6 thành phố lớn của Bangladesh và đánh giá tác động của nước rỉ lên các nguồn nước xung quanh cũng như đến sức khỏe con người. Nghiên cứu này, lần đầu tiên tính toán chỉ số ô nhiễm nước rỉ (LPI) cho các địa điểm chôn lấp tại Bangladesh và phát hiện rằng LPI của bãi rác Matuail (19,81) là rất cao, so sánh được với một số bãi rác ô nhiễm ở Ấn Độ và Malaysia. Nồng độ của một số kim loại độc hại tiềm tàng trong nước mặt và nước ngầm xung quanh các bãi rác cao hơn giới hạn tối đa cho phép của Cục Môi trường Bangladesh và Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Chỉ số rủi ro sức khỏe con người đối với các kim loại nặng độc hại trong các loại rau và gạo cho thấy tiềm năng rủi ro sức khỏe cao cho Pb, Cd, Ni và Mn. Rủi ro gây ung thư tổng thể cho Ni và Pb được phát hiện rất cao trong các cây ăn được gần những bãi rác đó, gợi ý về nguy cơ gây ung thư do Ni và Pb thông qua việc tiêu thụ những cây này. Tình trạng hiện tại của nước mặt, nước ngầm và sản phẩm nông nghiệp gần các bãi rác tại Bangladesh là rất đáng lo ngại đối với sinh vật và cư dân địa phương.

Quá trình hòa tan oxy hóa của nhiên liệu UO₂ đã qua sử dụng trong hơi nước và nước ngầm nhỏ giọt ở 90°C xảy ra thông qua sự ăn mòn chung tại các bề mặt mảnh vụn. Hòa tan dọc theo các ranh giới hạt nhiên liệu cũng rõ ràng ở những mẫu tiếp xúc với thể tích nước ngầm lớn nhất, và các ranh giới hạt bị ăn mòn kéo dài ít nhất 20 hoặc 30 hạt sâu (> 200 μm), có thể xuyên suốt các mảnh kích thước mm. Hòa tan rõ ràng của nhiên liệu dọc theo các khuyết tật cắt ngang các ranh giới hạt đã tạo ra các hố hòa tan có đường kính từ 50 đến 200 nm, xâm nhập 1–2 μm vào mỗi hạt, hình thành kết cấu “giống như sâu” dọc theo các ranh giới hạt nhiên liệu. Các mảnh nhiên liệu có kích thước dưới micromet là phổ biến giữa các hạt nhiên liệu và có thể góp phần vào diện tích bề mặt phản ứng của nhiên liệu tiếp xúc với nước ngầm. Bề mặt bên ngoài của các mảnh nhiên liệu đã phản ứng phát triển một lớp sản phẩm ăn mòn có kích thước mịn bên cạnh nhiên liệu (dày 5–15 μm). Một lớp sản phẩm ăn mòn tinh thể thô hơn thường bao phủ lớp mịn, độ dày của nó thay đổi đáng kể giữa các mẫu (từ dưới 5 μm đến lớn hơn 40 μm). Các lớp ăn mòn dày nhất và xốp nhất hình thành trên các mảnh nhiên liệu tiếp xúc với thể tích nước ngầm lớn nhất. Thành phần của các lớp ăn mòn phụ thuộc mạnh mẽ vào lưu lượng nước, với uranyl oxy-hydroxides chiếm ưu thế trong các thí nghiệm hơi nước, và silicate uranyl kiềm và kiềm thổ chiếm ưu thế trong các thí nghiệm có tốc độ nhỏ giọt cao. Các thí nghiệm có tốc độ nhỏ giọt thấp thể hiện một sự kết hợp phức tạp của các sản phẩm ăn mòn, bao gồm các pha được xác định trong các thí nghiệm hơi nước và tốc độ nhỏ giọt cao.

Việc giám sát địa hóa nước ngầm và khí thải từ đất đã chỉ ra các dị thường tiền vệ và/hoặc đồng xảy ra của khí quý liên quan đến động đất, nhưng chưa có cơ sở lý hóa hợp lý. Một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm về việc khởi động phá đá và sự phát thải khí quý đã được thực hiện, nhưng không có mối liên hệ định lượng giữa kết quả trong phòng thí nghiệm và quan sát thực địa. Chúng tôi báo cáo về những dị thường heli trong nước ngầm liên quan đến trận động đất Kumamoto năm 2016, đây là trận động đất trong lục địa với đứt gãy trượt và tâm chấn nông (độ sâu 10 km) gần các khu vực đông dân cư ở Tây Nam Nhật Bản. Những thay đổi đồng vị heli được quan sát ngay sau trận động đất có mối liên hệ định lượng với những thay đổi biến dạng thể tích được ước tính từ một mô hình đứt gãy, điều này được giải thích thông qua các nghiên cứu thực nghiệm về sự giải phóng helium trong quá trình nén mẫu đá. Heli trong nước ngầm được xem như một cảm biến biến dạng hiệu quả. Điều này gợi ý mối liên kết định lượng đầu tiên giữa quan sát địa hóa và địa chấn, và có thể mở ra khả năng phát triển một hệ thống giám sát mới để phát hiện sự thay đổi biến dạng có khả năng xảy ra trước một trận động đất nguy hiểm ở các khu vực mà thiết bị đo biến dạng giếng khoan truyền thống không khả dụng.