Проблема прогрессирующего или потенциального затопления многих участков суши на нашей планете становится все острее. Конечно, никуда не денешься от абсолютного опускания суши в каких-то местах по тектоническим причинам, из-за карстовых и суффозионных процессов, из-за естественного уплотнения сжимаемых осадочных отложений. Много говорят и пишут также о понижении поверхности земли относительно уровня Мирового океана, который повышается из-за изменений климата. Но не меньшие масштабы, как оказалось, приняло и абсолютное понижение поверхности земли, например, по таким антропогенным причинам, как добыча нефти, газа и других полезных ископаемых, нагрузки от водохранилищ, отвалов на месторождениях, зданий и сооружений, оттаивание многолетней мерзлоты при непродуманном строительстве на ней, чрезмерная откачка подземных вод из водоносных горизонтов. Более того, по частоте проявлений, скоростям и негативным последствиям понижение уровня поверхности по вине человека превосходит естественные процессы.

Если говорить именно о глобальных масштабах, то на первое место тут выходит истощение запасов подземных вод при их интенсивной откачке для водопотребления, орошения сельскохозяйственных земель и зеленых насаждений, водопонижения при строительстве котлованов и добыче полезных ископаемых, использования в промышленности и т. д.

Дело в том, что 97,5% воды на Земле приходятся на моря, океаны и соленые озера. Запасы же пресной воды на нашей планете невелики (если не считать полярных льдов). И в основном они заключены под землей, что весьма актуально для регионов с недостатком или отсутствием их поверхностных источников. Во многих местах зависимость от подземных вод чрезвычайно велика (рис. 1). Например, в Индии на них приходится 85% от используемой пресной воды, в Западной Европе – 75%, в России – 20%.

При этом развитие экономики и рост численности населения привели к чрезмерной эксплуатации водоносных горизонтов. На данный момент из-под земли выкачивается в 3,5 раза больше воды, чем нужно, чтобы ее запасы успевали пополняться. Но это в среднем по планете. А, например, на севере Индии подземные воды забирают в 54 раза быстрее восстановления их исходного естественного режима.

Из-за слишком интенсивной эксплуатации водоносных горизонтов происходит постепенное обмеление рек и озер и нарушаются их экосистемы (рис. 2). Более того, оставшиеся подземные воды в конце концов могут стать некачественными, а рано или поздно – вообще закончиться.

Но самое серьезное негативное последствие – это то, что в районах крупных откачек уровни напорных вод могут снизиться на десятки и даже сотни метров. И эти депрессионные воронки иногда охватывают площади в десятки, сотни и даже тысячи квадратных километров. Если соответствующие территории сложены в том числе слоями неуплотненных сжимаемых грунтов (прежде всего глинистых или торфяных), то на них при понижении напора подземных вод образуются мульды оседания поверхности земли (особенно если ее уклон составляет менее 1%). Этому может способствовать и ускорение карстовых и суффозионных процессов из-за более интенсивной фильтрации при откачках воды (рис. 3). Наиболее предрасположены к оседанию участки, где водоносные горизонты приходятся на хорошо проницаемые песчано-гравелистые слои с небольшой сжимаемостью, которые чередуются с глинистыми слабопроницаемыми, но хорошо сжимаемыми грунтами (под предрасположенностью к оседанию понимается склонность к этому процессу без учета истощения запасов подземных вод).

Например, из-за чрезмерной эксплуатации водоносных горизонтов в XX веке оседание значительной части территории в мексиканской столице достигло 10,7 м, в калифорнийской долине Сан-Хоакин – 9 м, в городе Лонг-Бич в штате Калифорния США – 8,8 м, в японских приморских городах Токио, Осака, Ниигата – 4,7 м, в городе Хьюстон штата Техас США – 4 м (рис. 4), на Тайване – 2,5 м, в Лондоне – 2 м и т. д. Эти процессы также быстро развиваются в Венесуэле, Италии, Иране, в странах Юго-Восточной Азии, в таких южных засушливых штатах США, как Аризона, Колорадо, Невада, Джорджия, и во многих других местах. Одни из самых быстро опускающихся городов в мире из-за нерегулируемой откачки подземных вод в настоящее время находятся в межгорных бассейнах Мексики (до 30 см/год) и в Иране (до 25 см/год). Наибольшую опасность оседание представляет в Нидерландах, где уже 25% территории располагаются ниже среднего уровня моря и защищены дамбами.

Очень наглядно это происходило в городе Мехико, где нижние этажи многих исторических зданий за несколько десятков лет ушли под землю (рис. 5), а в некоторых местах, наоборот, из земли «выросли» на несколько метров обсадные трубы скважин и облицовочные кольца глубоких колодцев (которые, видимо, упирались внизу в несжимаемые слои). В штате Аризона США и в некоторых регионах Китая по той же причине на поверхности образовались трещины, порой гигантские (рис. 6, 7). Не только побережье Нидерландов, но и районы японской столицы, оказавшиеся ниже уровня моря, пришлось защищать дорогостоящими дамбами. Венеция страдает от наводнений при нагонах не столько из-за повышения уровня моря, сколько из-за оседания территорий ее островов (рис. 8). А, например, правительство Индонезии даже задумалось о переносе столицы (Джакарты) на остров Борнео, поскольку ее территория опускается со скоростью 28 см/год.

Опускание дневной поверхности (иногда со скоростью в десятки сантиметров в год) не только повышает риск наводнений, подтопления или заболачивания территорий, но и может вызывать деформации и повреждения железнодорожных путей, автодорог, трубопроводов, мостов, жилых домов, промышленных предприятий и т. д. Поэтому, конечно, необходим контролируемый отбор подземных вод по строгим правилам на основе постоянного мониторинга и управления их режимом.

Чтобы прекратить оседание, к некоторым городам, если находят средства, прокладывают водопроводные магистрали от источников поверхностных вод и прекращают (или уменьшают) откачку подземных вод, а вокруг строящихся подземных выработок при необходимости создают противофильтрационные завесы вместо использования дренажных скважин. Уже перешли к использованию подведенных поверхностных вод в Венеции, Мехико, в ряде городов Японии и в некоторых других местах. В калифорнийском городе Лонг-Бич в США, чтобы справиться с этой ситуацией, даже стали закачивать воду обратно в скважины.

Интересно, что штат Техас США является одним из немногих мест на Земле, где на государственном уровне проводятся многолетние исследования по оценке влияния отбора подземных вод на оседание уровня суши и где уже с 1976  года начали принимать меры по сокращению забора подземных вод в опасных районах и даже искусственно восполнять их запасы, что реально снизило скорость оседания поверхности грунта.

И все же необходимо на законодательном уровне закрепить меры по борьбе с оседанием грунтов во всех странах, причем с привлечением к юридической ответственности тех компаний, которые виновны в оседании поверхности земли с негативными последствиями, что уже делается, например, в США.

Поэтому вполне очевидно, что проблема оседания земной поверхности из-за интенсивной откачки подземных вод давно привлекает внимание ученых во всем мире. При этом основное внимание уделяется прогнозированию развития этого процесса в различных инженерно-геологических условиях, обоснованию рациональных режимов эксплуатации водоносных горизонтов для конкретных районов, а также разработке рекомендаций по предотвращению или сокращению негативных последствий чрезмерного отбора подземных вод [1, 4–6, 8, 10, 11, 13–15, 19–21].

В этом отношении особенно интересна статья «Картирование глобальной угрозы оседания поверхности земли» [20], которую в январе 2021 года опубликовали в журнале Science Херардо Эррера-Гарсия из Испанского геологического и горного института и его соавторы из разных стран. В дополнительных данных [21] к этой статье, опубликованных в том же журнале, весь процесс работы описан чрезвычайно подробно – со всеми таблицами, обозначениями, формулами, картами, пояснениями и ссылками.

Указанные исследователи проанализировали огромное количество информации из доступных литературных источников и составили базу данных по территориям, где было задокументировано оседание поверхности из-за чрезмерной эксплуатации водоносных горизонтов. Таких районов было выявлено 200 (в 34 странах мира). Но количественные показатели оседания были известны только для одной трети из этих случаев. Информация о негативных последствиях также была скудной, а меры по ликвидации или уменьшению последствий были применены только в нескольких местах. В упрощенном виде собранная база данных представлена на рисунке 9.

Анализ территорий из составленной базы данных показал, что оседание преимущественно происходило на очень плоских участках, где неуплотненные осадочные отложения накапливались в аллювиальных бассейнах или на прибрежных равнинах и где городские или сельскохозяйственные районы развивались в умеренном или аридном климате с длительными засушливыми периодами. Среди таких участков уровень поверхности понижался в первую очередь в густонаселенных районах, где наблюдался дефицит поверхностных пресных вод, а сочетание забора и естественной разгрузки подземных вод опережало пополнение их запасов. Половина задокументированных случаев оседания поверхности происходила в районах, периодически подвергавшихся наводнениям. Наиболее опасным для населения и инфраструктуры на прибрежных территориях было комбинированное влияние абсолютного оседания суши и абсолютного повышения уровня моря, особенно если высотные отметки поверхности суши превышали уровень моря менее чем на 1 м (а таких мест в базе данных оказалось около 21%).

На основе полученной базы данных и ее сложнейшего статистического анализа с подготовкой и использованием однородных репрезентативных выборок Эррера-Гарсия с коллегами [20] выполнили множество расчетов и разработали модель для оценки и прогнозирования локальных потенциальных оседаний поверхности суши по всей планете с пространственным разрешением 1 кв. км. При этом они учитывали показатели (переменные), отражающие следующие природные и антропогенные факторы: литологию; уклон земной поверхности; растительный покров; климатические классы Кёппена – Гейгера; плотность населения и эквивалентный валовый внутренний продукт (ВВП) на основе ВВП на душу населения в соответствующей стране; площади орошения; исходный дефицит воды; изменения запасов подземных вод в период с 1960 по 2010 год; площади затапливаемых территорий и областей, расположенных низко над уровнем моря (их высота над уровнем моря и подверженность наводнениям) и некоторые другие. Одни из этих переменных были категориальными и представленными в виде классов, другие – количественными и представленными в виде интервалов.

Следует отметить, что авторы работы [20] для глобальной оценки предрасположенности к оседанию впервые использовали метод относительных частот (FR) с большим количеством итераций для каждого класса каждой переменной (до этого данный метод использовался только для региональных оценок предрасположенности к оползням и к оседанию из-за растворения грунта и добычи полезных ископаемых [21]). Затем предрасположенность к оседанию была объединена с вероятностью истощения запасов подземных вод для оценки потенциального оседания поверхности земли из-за чрезмерной эксплуатации водоносных горизонтов на глобальном уровне.

Интересно, что Эррера-Гарсия с соавторами [20] при разработке своей глобальной модели не учитывали подъем уровня моря при изменениях климата. Также они не рассматривали меры, принимаемые в некоторых странах (например, в Нидерландах и Японии) для борьбы с оседанием суши (поэтому в данном отношении они могли переоценить риски). И самое интересное, что авторы статьи [20] не принимали в расчет величины и скорости оседания (из-за отсутствия этой информации для большинства районов в глобальном масштабе). Они прогнозировали лишь уровень опасности оседания (от очень низкого до очень высокого) по комбинации предрасположенности к оседанию и вероятности истощения запасов подземных вод на той или иной территории.

Методология и общий ход их работы в очень упрощенном виде представлены на рисунке 10. На основе разработанной модели Эррера-Гарсия с коллегами [20] составили соответствующую карту мира (рис. 11) (не очень понятно, почему на 2010 год, если статья вышла в 2021 году. Видимо, очень долго работали над этой проблемой. – Ред.).

По вполне обоснованному мнению Эррера-Гарсия и соавторов [20], поверхность земли больше всего предрасположена к оседанию в регионах с высокой плотностью населения или на сельскохозяйственных землях с высокой потребностью в пресной воде при ее дефиците. По прогнозам этих исследователей, оседание с вероятностью более 50% (с вероятностью от средневысокой до очень высокой на рисунке 11) угрожает 12 млн кв. км, то есть 8% суши (что превышает, например, площадь Китая). Это прежде всего территории у морских берегов и в речных дельтах по всему миру (в Нидерландах, Египте, Вьетнаме, Бангладеш, в прибрежных зонах южных штатов США, Мексики и т. д.), внутренние осадочные бассейны (в Мексике, Иране, средиземноморских странах, на Северо-Китайской равнине и т. д.).

Возможно оседание и в Африке, Австралии, Южной Америке, но там оно будет скорее всего ниже из-за меньшего истощения запасов грунтовых вод. Впрочем, для Центральной Африки при анализе потенциального оседания поверхности учитывалась только информация о предрасположенности к нему территорий, поскольку об истощении запасов грунтовых вод доступных данных не было. Но и представленная в статье [20] информация может оказаться полезной для предотвращения воздействия возможного оседания на развивающиеся в этом регионе города, промышленность, сельское хозяйство, дороги и пр. при увеличении использования подземных вод.

Если говорить о потенциальном оседании с вероятностью от высокой до очень высокой (см. рис. 11), то оно может затронуть 2,2 млн кв. км, или 1,6% площади суши на Земле (и, соответственно, 1,2 млрд людей, или 19% населения мира, и 12% мирового ВВП). При этом оседание угрожает 484 млн жителей в районах, периодически подвергающихся наводнениям, а это половина из общего числа людей, которым грозит опасность наводнений по комплексу причин (что говорит о чрезвычайной важности учета потенциального оседания поверхности земли при глобальном анализе рисков наводнений).

Было выявлено, что в зонах потенциального оседания находится 1596 (22%) из 7343 крупных городов мира, причем 57% из них расположены в районах, подвергающихся наводнениям. Более того, оседание угрожает 15 из 20 крупных прибрежных городов, имеющих самый высокий риск наводнений в мире.

Большая часть населения мира, проживающего на территориях потенциального оседания, приходится на Азию (86%), особенно на Китай и Индию. На Северную Америку и Европу приходится 9% населения Земли, подверженного тому же риску. В Египте и Нидерландах самые большие группы населения живут в районах потенциального оседания, которые находятся ниже среднего уровня моря. Наибольшая плотность населения в областях такого риска наблюдается в Египте и Индонезии, а относительное воздействие на страну (отношение подвергнутого этому риску населения к общей его численности) наиболее велико в Египте, Бангладеш, Нидерландах и Италии. С точки зрения возможного снижения ВВП из-за оседания первое место занимают Соединенные Штаты (из-за их высокого ВВП на душу населения).

По комбинации всех рассмотренных при разработке модели факторов авторы работы [20] составили рейтинг стран с самыми большими показателями потенциального оседания. И оказалось, что на семь из первых десяти стран, вошедших в этот рейтинг, действительно приходится наибольшее количество задокументированных повреждений инфраструктуры, вызванных данным процессом. Это Нидерланды, Китай, США, Япония, Индонезия, Мексика и Италия.

При более точной валидации модели путем сравнения составленных с ее помощью прогнозов с независимыми наборами достоверных данных ее авторы [20] обнаружили, что она может выявлять подверженные риску оседания районы с точностью 94% (в соответствии с величиной зоны под характеристической кривой соотношений правильного и ложного обнаружения).

На основе своей модели Эррера-Гарсия с коллегами [20] также составили карту мира с прогнозом распределения потенциальных оседаний поверхности на 2040 год (рис. 12), поскольку из-за дальнейшего развития экономики и роста численности населения в течение последующих десятилетий неизбежно будет увеличиваться потребность в пресной воде и все больше будут истощаться ее запасы в водоносных горизонтах, особенно в засушливых регионах, а значит, будет прогрессировать оседание соответствующих участков суши и вызывать массу опасных последствий. При составлении прогнозов на 2040 год использовались, в принципе, те же комплексные показатели – глобальные прогнозы предрасположенности к оседанию и вероятности истощения запасов грунтовых вод, но с учетом изменений климата, роста численности населения, развития экономики, изменений спроса на воду и фонового дефицита воды.

Прогнозируемые на 2040 год площади потенциального оседания во всем мире увеличатся по сравнению с сегодняшним днем (точнее с 2010 годом) только на 7%, но из-за роста численности населения опасность оседания затронет уже на 30% больше людей, то есть всего 1,6 млрд человек, 635 млн из которых будут проживать в районах с риском наводнений. Но эти изменения не будут однородными. Например, численность населения на территориях, предрасположенных к оседанию, на Филиппинах, в Ираке, Индонезии, Мексике, Израиле, Нидерландах, Алжире и Бангладеш увеличится более чем на 80%, а в Китае, США, Италии и Иране – менее чем на 30%. В Канаде оседание может возникнуть там, где его раньше не было. В России или Венгрии оно затронет больше людей там, где изменения климата приведут к более продолжительным засушливым периодам. А вот в Японии и Германии этот показатель скорее всего даже снизится благодаря эффективной политике управления режимами подземных вод и сокращению численности населения.

Эррера-Гарсия с коллегами [20] полагают, что разработанная ими модель будет полезна для определения потенциальных зон оседания для менее изученных в этом отношении территорий (но с дальнейшим анализом и уточнением ситуаций для конкретных участков) и для предотвращения негативных последствий. Они также выражают надежду, что их работа повысит осведомленность ученых и лиц, принимающих решения, и станет первым шагом в разработке эффективной государственной политики управления рассмотренными рисками с целью минимизации угрозы оседания поверхности земли из-за истощения запасов подземных вод как на локальном, так и на глобальном уровне. К сожалению, пока такая политика отсутствует в большинстве стран мира.

При этом авторы работы [20] считают, что дальнейшие успехи в глобальной оценке потенциального оседания, его негативных последствий и их минимизации могут быть достигнуты лишь тогда, когда будет составлена глобальная база данных по количественным данным – скоростям, величинам и площадям понижения уровня поверхности. А для этого необходим долговременный непрерывный континентальный мониторинг вертикальных смещений с использованием спутниковых радиолокационных изображений. Также необходимы дальнейшие исследования для оценки стоимости потерь от текущего и исторического оседания во всем мире. В настоящее время данные о ежегодных затратах, связанных с оседанием, публикуются только для Китая и Нидерландов (соответственно 1,5 и 4,8 млрд долларов США в год).

Сочетание уточненной информации об ущербе с оценками опасности оседания позволит улучшить оценку потенциальных потерь и разработать экономически эффективные меры противодействия этому процессу или адаптации к нему.