Аналіз геофізичних, метеорологічних та гідрогеологічних даних для пояснення невідповідностей між інфільтрацією та атмосферними опадами

О. Шевченко; В. Бублясь; Д. Ошурок

doi:10.17721/1728-2713.100.13

Автор(и)

О. Шевченко Український гідрометеорологічний інститут НАН України та ДСНС України, просп. Науки, 37, м. Київ, 03028, Україна
В. Бублясь Інститут геологічних наук НАН України, вул. О. Гончара, 55б, м. Київ, Україна
Д. Ошурок Український гідрометеорологічний інститут НАН України та ДСНС України, просп. Науки, 37, м. Київ, 03028, Україна

DOI:

https://doi.org/10.17721/1728-2713.100.13

Ключові слова:

інфільтрація, рівні ґрунтових вод, заряд статичного електричного поля, температура повітря, опади, дефіцит вологості повітря, баланс, зона аерації, електродинаміка

Анотація

Розглянуто традиційний та нестандартний підходи до аналізу розрахункових значень інфільтраційного живлення ґрунтових вод із використанням показника заряду електричного поля приземної атмосфери. Зіставлення результатів гідрогеологічних розрахунків та спостережень за специфічними електрофізичними і метеорологічними чинниками дозволило пояснити невідповідності між значеннями інфільтраційного живлення та кількості опадів.

Визначено щодобові значення живлення ґрунтових вод за даними 41-річних спостережень по свердловинах в м. Хмільник. Середнє багаторічне значення інфільтраційного живлення ґрунтових вод з РГВ 0,8–2,3 м становило 145 мм, з РГВ 2,7–4,5 м – 14,7 мм (коливання в діапазоні від 129 мм до від'ємних значень). Крім початкового періоду впливу змін клімату на режим ґрунтових вод (1980–1988 рр.), кореляція між річними значеннями інфільтрації та опадів невисока. Значуща кореляція існувала лише до 1997 року для опадів літнього та осіннього сезонів. На цьому ж етапі (1980–1997 рр.) також зафіксовано тісний зв'язок між температурою та інфільтрацією зимового періоду. Проте існують також і значні суперечності у співвідношеннях інфільтрації та опадів, які вдалось пояснити лише із залученням даних власних електрофізичних спостережень. У період з 2008 по 2017 р. від'ємні значення коефіцієнтів кореляції "інфільтрація-температура" за літній сезон змінились на позитивні, що наводить на думку про зростання вагомості механізмів перенесення вологи у вигляді пари. Підкріплюють цей висновок дані про знак заряду статичного електричного поля приземного шару атмосфери. За високих значень напруженості статичного електричного поля (Е) із від'ємним знаком, напрямок руху вологи має висхідний характер, завдяки чому випаровування із зони аерації збільшується у декілька разів порівняно з тим, що буває за нейтральних значень Е. А напруженість електричного поля із додатним знаком формує низхідний рух вологи, який призводить до підвищення РГВ. Звідси, більш зрозумілими стають випадки, коли за значної кількості опадів отримано низькі значення інфільтраційного живлення (2006, 2008 р.). І навпаки, низька кількість опадів за 2014–2017 рр. (середнє значення 524 мм) супроводжувалась підвищеним живленням ґрунтових вод (10 % вище від норми), стабільним підземним стоком до річки в межах 90–100 м3 /рік/м та зростанням РГВ завдяки додатним значенням статичного електричного поля. Цей електричний чинник має настільки потужний вплив, що здатний нейтралізувати та ефективно протидіяти негативному впливу на живлення ґрунтових вод зростання температури і дефіциту вологості повітря. Крім того, зростання випаровування стримувалось постійним зменшенням швидкості вітру.

Оскільки електродинамічні процеси мають значну, а подекуди й визначальну роль не лише у вологоперенесенні в зоні аерації, а й у регіональних процесах живлення ґрунтових вод, створення штучних позитивно заряджених статичних полів над поверхнею ґрунту може стати найбільш ефективним запобіжником виснаження запасів ґрунтових вод під час гідрогеологічної посухи.

Посилання

Altovsky, M.Ye., Konoplyantseva, A.A. (1954). Methodological guide to the study of the groundwater regime. Gosgeoltekhizdat, 253. [in Russian]

Bear, J. (1979). Hydraulics of Groundwater. Mc Graw-Hill, Inc., New York. Brechtel, H.M. (1976). Influence of species and age of forest stands on evapotranspiration and ground water recharge in the Rhine-Main Valley. Proceedings of XVI IUFRO World Congress, Oslo, Norway.

Bublyas, V.M. (2017). Electrical phenomena of the atmosphere and lithosphere and their role in geological processes. Materials of the IV International. geol. Forum forthe 60th anniversary of UkrDGRI "Actual problems and prospects for the development of geology: science and production", Kyiv, 19-24. [in Ukrainian]

Bublyas, V.M. (2006). Microgeodynamic zones as elementary structural components of the lithosphere and the role of electromagnetic phenomena in their development. Collection of scientific works of KNU. Energy of the Earth. Its geological and ecological manifestations. Scientific and practical use. Kyiv, 86-90. [in Ukrainian]

Bublyas, V.M. (2010). Patterns of changes in the stress-strain state of rocks in microgeodynamic zones developed in the cover sediments of plain areas. Vіsnyk of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Geology, 51, 44–48. [in Ukrainian]

Bublyas, V.N., Bublyas, M.V. (2013). Processes and phenomena in microgeodynamic zones of cover deposits of plain territories. Vіsnyk of Taras Shevchenko National University of Kyiv. Geology, 1(60), 42–46. [in Ukrainian]

Bublyas, V.M., Shestopalov, V.M. (2001). Anomalous zone sand their role in the redistribution of radionuclides from the soil surface to groundwater. In: Water exchange in hydrogeological structures and the Chernobyl disaster. Part 1. Kyiv, 251–356. [in Russian]

Busch, K.-F., Luckner, L., Tiemer, K. (1993). Geohydraulik. In: Matthess, G. (Ed.) Gebrüder Bornträger. Berlin, Stuttgart, 3. Neubearbeitete Auflage.

Carrera-Hernández, J.J., Smerdon, B.D., Mendoza, C.A. (2012). Estimating groundwater recharge through unsaturated flow modelling: Sensitivity to boundary conditions and vertical discretization. Journal of Hydrology, 452–453, 90–101. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.05.039

Carvalho, K.S., Wang, S. (2019). Characterizing the Indian Ocean Sea level changes and potential coastal flooding impacts under global warming. Journal of Hydrology, 569, 373–386. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.11.072

Chen, H., Wang, S., Wang, Y., Zhu, J. (2020). Probabilistic Projections of Hydrological Droughts Through Convection-Permitting Climate Simulations and Multimodel Hydrological Predictions. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 125. https://doi.org/10.1029/2020JD032914

Di Matteo, L., Capoccioni, A., Porreca, M., Pauselli, C. (2021). Groundwater-Surface Water Interaction in the Nera River Basin (CentralItaly): New Insight safter the 2016 Seismic Sequence. Hydrology, 8, 97. http://dx.doi.org/10.3390/hydrology8030097

Dubois, E., Larocque, M., Gagné, S. (2021). Using a water budget model to anticipate the impact of climate change on groundwater recharge at the regional scale in cold and humid climates – example of southern Quebec (Canada). EGU General Assembly 2021, 19–30 Apr 2021. EGU21-6039. https://doi.org/10.5194/egusphere-egu21-6039.

Gee, G.W., Hillel, D. (1988). Groundwater recharge in arid regions: review and critique of estimation methods. Hydrological processes, 2, 255–266.

Grinevsky, S.O. (2012). Assessment of infiltration recharge and groundwater resources based on geohydrological models. Dissertation abstract for the competition doc. geol.-min. sciences in specialty "hydrogeology". Moscow, 44. http://earthpapers.net/preview/354368/a#? page=1 [in Russian]

Healy, R.W., Cook, P.G. (2002). Using groundwater levels to estimate recharge. Hydrogeology Journal, 10, 91–109. https://doi.org/10.1007/s10040-001-0178-0

Kiselev, P.A. (1967). Hydrodynamic principles of quantitative assessment of groundwater recharge based on the analysis of their regime on the territory of Belarus. Groundwater regime and balance. Minsk, 3–92.

Kuzmak, J.H., Sereda, P.J. (1957). The mechanism by which water moves through a porous material subjected to a temperature gradient. Soil science, 84, (4. 5)

Liu, C., Ikeda, K., Rasmussen, R., Barlage, M., Newman, A.J., Prein, A.F. et al. (2017). Continental-scale convection-permitting modeling of the current and future climate of North America. Climate Dynamics, 49(1–2), 71–95. https://link.springer.com/article/10.1007/s00382-016-3327-9

Lukner L., Shestakov, V.M. (1986). Modeling of groundwater migration. Moscow, 208. [in Russian]

Maxwell, R.M. (2010). Infiltration in arid environments: Spatial patterns between subsurface heterogeneity and water-energy balances. Vadose Zone Journal, 9, 970-983. DOI: 10.2136/vzj2010.0014

Modarres, R. (2007). Streamflow drought time series forecasting. Stochastic Environmental Research and Risk Assessment, 21(3), 223–233. https://doi.org/10.1007/s00477-006-0058-1

Osadchyi, V., Shevchenko, O., Krasovs'ka, A. (2021). Formation features of river underground runoff under global warming conditions. EGU General Assembly 2021, 19–30 Apr 2021. EGU21-15311. https://doi.org/10.5194/ egusphere-egu21-15311

Qurtas, S.Sh. (2018). Using groundwater levels and Specific Yield to Estimate the Recharge. South of Erbil. Kurdistan Region. Iraq. Academic Journal of Nawroz University, [S.l.], 7(4), 191–196. https://doi.org/10.25007/ ajnu.v7n4a289

Rasmussen, K.L., Prein, A.F., Rasmussen, R.M., Ikeda, K., Liu, C. (2017). Changes in the convective population and thermodynamic environments in convection-permitting regional climate simulations over the United States. Climate Dynamics, 55(1–2), 383–408. https://doi.org/10.1007/s00382-017-4000-7

Shevchenko, O.L., Bublyas', V.M., Kolomiets, S.S. (2016). Basics of moisture transfer in the aeration zone. Training manual. Kyiv, 295. [in Ukrainian]

Shevchenko, A.L., Nasedkin, I.Yu. (2001). Natural and anthropogenic features of water exchange formation and distribution of radioactive substances on reclamation systems of the humid zone. In: Water exchange in hydrogeological structures and the Chernobyl disaster. Part 1. Kiev, 162–232. [in Russian]

Shevchenko, O.L., Osadchyi, V.I. (2020). Manifestations of global warming in changes in the balance of groundwater and rivers. Natural water resources of the Carpathian region. Materials of the 19th intern. conf. "Problems of protection and rational use", October 8–9, 2020, Lviv, 70–74. [in Ukrainian]

Shevchenko, A.L., Osadchyi, V.I., Charny, D.V. (2019). Mode changes, balance and resources of groundwaters of Polesia and forest-steppe of Ukraine under the influence of global warming. Academic notes of Brest University, 15(2), 117–128. [in Russian]

Shevchenko, O.L., Skorbun, A.D., Charny, D.V. (2021). Subordination of groundwater level fluctuations in the Southern Bug River basin to climatic changes. Visnyk of Odesa National University. Ser.: Geographical and geological sciences, 26, 2(39), 175–194. [in Ukrainian]

Shevchenko, A.L., Charny, D.V., Osadchyi, V.I., Il'chenko, A.O. (2021a). Groundwater flow in the Southern Bug basin river in conditions of global warming. Geological journal, 3, 3–16. https://doi.org/10.30836/igs.1025-6814.2021.3.237361 [in Ukrainian]

Sitnikov, A.B., Golovchenko, Yu.G., Tkachenko, K.D. (2003). Hydrogeological station "Feofaniya": long-term studies and results. Kyiv, 200. [in Russian]

Sitnikov, A.B. (2010). Issues of migration of substances in soils. Kyiv, 626. [in Russian]

Tabari, H., Nikbakht, J., Talaee, P.H. (2013). Hydrological drought assessment in Northwestern Iran based on streamflow drought index (SDI). Water Resources Management, 27(1), 137–151. https://doi.org/10.1007/ s11269-012-0173-3

Taylor, S.A., Carey, J.V. (1966). Analysis of simultaneous flows of water and heat or electricity with the help of thermodynamics of irreversible processes. Thermodynamics of soil moisture. Leningrad. [in Russian]

The state of groundwater in Ukraine in 2019. (2020). Shchorichnyk, Kyiv: DNVP "GEOINFORM of Ukraine", 129. http://geoinf.kiev.ua/Schorichnyk_ PV_2019.pdf. [in Ukrainian]

Tkachenko, K.D. (1965). Moisture balance in the aeration zone. Kyiv: "Scientific Thought", 144. [in Russian]

Zhernov, I.E. (1982). Dynamics of underground waters. Kyiv, 323. [in Russian]

Wolfzun, I.B. (1972). Calculations of groundwater balance elements. Leningrad, 272. [in Russian]