Города по всему миру тонут. Вот как они могут восстановиться

Это опускание, которое ученые называют subsidence («Под—СЫ-тупица»), замедлилось за последние два десятилетия. На пике своего развития Джакарта опускалась более чем на 280 миллиметров (11 дюймов) в год! Сейчас он составляет всего около 30 миллиметров (около 1 дюйма) в год. Из-за затопления и более высоких приливов морская вода затопляет примерно четверть города. Если ситуация не изменится, более трети Джакарты может оказаться под водой еще через 25 лет.

И Джакарта не одинока. Города по всему миру тонут. Хотя некоторые просадки происходят естественным образом, в основном это происходит из-за деятельности человека.

Хорошая новость: люди находят способы замедлить и даже обратить вспять это проседание.

По мере того, как уровень грунтовых вод поднимется, наводнения во многих из этих мест прекратятся. Колодцы будут по-прежнему обеспечивать водой, а не иссякать. А инновационные способы борьбы с просадками помогают вернуть природу в города и прилегающие районы.Индонезийский мальчик играет со своей лодкой на улице в Джакарте, которая каждое утро затапливается во время прилива. Наводнение произошло из-за просадки грунта в этом городе. В некоторых местах там земля проседает на целых 25 сантиметров (10 дюймов) в год.Эд Рэй/Stringer/Getty Images News

Люди — растущая проблема

Хотя землетрясения могут привести к резкому оседанию суши, такие природные явления не являются основной причиной оседания грунта. Люди. Или, скорее, наша потребность в подземных ресурсах, особенно в воде.

Большая часть пресной воды на Земле заключена в виде льда. Только один процент мировых запасов пресной воды содержится в реках и озерах. Остальная часть этой жидкой воды находится под поверхностью. Она известна как подземные воды.

Во многих частях мира люди проводят бурение скважин в водоносных горизонтах, чтобы откачать эту воду. Это важный источник водоснабжения для миллионов людей. Но в некоторых местах из-за откачки грунтовых вод земля проседает.

Это особенно серьезная проблема для крупных городов. Чем больше людей там проживает, тем больше воды им нужно откачивать из-под земли.

Эта воронка находится в государственном парке Лафайет Блю Спрингс во Флориде. Некоторые из многочисленных карстовых воронок в штате образовались естественным образом давным-давно. Но из-за добычи грунтовых вод по всей Флориде образовалось большое количество новых карстовых воронок. Многие из них превратятся в озера, поскольку они наполняются водой из источников или дождей.Майкл Уоррен/iStock, Неизданное/Getty Images Плюс

Не все города тонут одинаково быстро. Геология тоже играет свою роль, отмечает Леонард Охенхен. Он работает в Калифорнийском университете в Ирвайне. Как геодезист, он следит за состоянием Земли и производит измерения. “Некоторые города расположены на твердой скале, которая едва поддается сжатию”, — говорит он. “Другие построены на толстых слоях глины, песка или осадочных пород, которые легко поддаются сжатию”.

Города, расположенные на осадочных породах, скорее всего, пойдут ко дну.

Команда Охенхена показала, что оседание грунта является растущей проблемой для городов по всей территории Соединенных Штатов. Они изучили 28 наиболее густонаселенных городов, многие из которых расположены в глубине материка. По их оценкам, в каждом из этих городов проседает не менее 20 процентов городской территории, главным образом из-за откачки грунтовых вод. В общей сложности это затрагивает около 34 миллионов человек. Исследователи поделились своими результатами 8 мая в журнале Nature Cities.

Давайте узнаем о тайных запасах подземных вод на Земле

Просадка грунта влечет за собой реальные, но часто невидимые проблемы для построенных объектов, которые поддерживают город. Подумайте об автострадах, железных дорогах и мостах. Они “могут треснуть или сломаться, когда одна секция проседает сильнее, чем другая”, — говорит Оэнхен. Водопроводные и канализационные линии могут разрушаться, когда земля под ними смещается. А здания, построенные неправильно, могут начать разрушаться. Команда Охенхена обнаружила, что в городах США, которые она обследовала, более 29 000 зданий расположены в районах с высоким или очень высоким риском повреждения.

Новое строительство может привести к оседанию грунта, говорит Пей-Чин Ву. Она работает геологом в Университете Род-Айленда в Кингстоне. Чтобы повысить безопасность при строительстве в районах с мягким грунтом, рабочие откачивают воду перед закладкой фундамента для нового здания.

По ее словам, после этого они обычно не заменяют воду, которую выливали. Таким образом, площадь уменьшается.

Многие естественные подземные запасы пресной воды сокращаются.

Ву вырос в столице Тайваня Тайбэе. Вода то опускается, то поднимается в зависимости от времени года. Во время сухого сезона весь город погружается в воду, так как люди откачивают грунтовые воды. “Когда пойдут дожди и уровень воды поднимется, он восстановится”, — говорит она.

Дожди просачиваются в глубокие водоносные горизонты под городом. В результате земля снова поднимается. Однако этот процесс происходит не везде. В местах, где велось интенсивное строительство, грунт никогда полностью не восстанавливается.

Wu использует спутниковые данные для изучения оседания грунта в прибрежных городах по всему миру. Эти спутники передают сигнал с земли. Компьютеры рассчитывают расстояние до земли на основе того, сколько времени требуется для возврата каждого сигнала. Это показывает высоту местности. Сравнивая повторные измерения для одного и того же участка, геологи могут обнаружить небольшие изменения высоты с течением времени.

В исследовании, проведенном в 2022 году, Ву обнаружил, что оседание грунта является более серьезной глобальной проблемой, чем люди предполагали. И быстрее всего это происходит в Юго-Восточной Азии. Почему? Города там быстро растут.Она обнаружила, что во многих городах проседание грунта также замедляется. Оно все еще продолжается, но темпы падения не такие высокие, как 10 лет назад. Это происходит благодаря уменьшению объема грунтовых вод.

Но не в каждом городе наблюдается замедление темпов роста. В некоторых городах и на небольших территориях во многих городах уровень грунтовых вод продолжает снижаться. Это повышает вероятность затопления этих районов.Городские объекты во многих частях мира проектируются таким образом, чтобы поглощать воду, а не позволять ей стекать. Как показано в этом видео, это может принести много пользы как городским жителям, так и окружающей среде.

Возвращение воды в почву

В материковом Китае наводнения стали серьезной проблемой. Как и засуха. В северных городах часто выпадает мало осадков. В южных городах их может быть слишком много. Поэтому Китай разработал план создания города-губки, чтобы сбалансировать эти два фактора.

В городах-губках используются зеленые крыши (покрытые травой или другими растениями), проницаемые тротуары и другие элементы, позволяющие как можно быстрее отводить воду с улиц, объясняет Мишель Ланчиа. Он работает в Восточном технологическом институте в Нинбо, Китай. Как гидрогеолог, он изучает, как вода взаимодействует с горными породами и почвой.

На юге Китая эти особенности защищают людей от наводнений. На севере собранная вода может “храниться, очищаться и использоваться повторно”, — говорит он. Целью является “сбор и повторное использование от 65 до 100 процентов осадков, выпадающих в городах по всему миру».Китай”.

Управление водопользованием — и повторным использованием — также может помочь предотвратить проседание грунтовых вод в будущем. Ключевым моментом является поступление воды в водоносные горизонты. Этот процесс известен как пополнение запасов. Но нынешняя система Китая не предназначена для этого. Мангровый парк Санья на Хайнане, Китай, собирает ливневую воду из окрестностей города. Водно-болотные угодья внутри парка фильтруют воду и позволяют ей впитываться обратно в землю.Kongjian Yu/Turenscape

Компания Lancia изучает новые способы пополнения запасов водоносных горизонтов. В случае успеха это может уменьшить наводнения и обеспечить доступность воды. “Концепция города-губки в будущем будет становиться все более эффективной”, — прогнозирует он. Это должно спасти жизни людей, поскольку климат продолжает меняться.

Китай — не единственное место, где наводнения и проблемы с водоснабжением являются проблемой. В Вирджинии, США, санитарный округ Хэмптон—Роудс (HRSD) надеется решить обе проблемы и попутно обратить вспять процесс проседания грунта. Они разработали программу «Инициатива устойчивого водоснабжения завтрашнего дня», или SWIFT. SWIFT стремится вернуть сточные воды под землю. Сначала воду необходимо очистить до тех пор, пока она не станет достаточно чистой для питья. Затем HRSD закачивает ее глубоко под землю в так называемый водоносный горизонт Потомак.

“В начале 1900-х годов в Потомакском водоносном горизонте был устроен колодец”, — говорит гидролог HRSD Дэн Холлоуэй. “Вода поступала из колодца у вас над головой. Вам не понадобился бы насос. Вам ”понадобится клапан», чтобы перекрыть это.

За последнее столетие давление воды упало, поскольку люди забирали все больше и больше воды из водоносного горизонта. Бурление скважин замедлилось, сначала из них хлынули капли, а затем и вовсе прекратилось. В конце концов людям пришлось начать откачку воды. Уровень воды в водоносном горизонте с тех пор снизился примерно на 38 метров (125 футов).

Откачка создала еще одну проблему: соленые грунтовые воды. Пресная вода естественным образом стекает с холмов центральной Вирджинии к морю. Пресная вода вытесняется соленой, объясняет Холлоуэй. В прошлом благодаря этому течению грунтовые воды практически не содержали соли.Холлоуэй сравнивает это с простыней, туго натянутой под наклоном. Шарик на простыне “всегда будет скатываться вниз”. Но насос для откачки грунтовых вод повышает уровень воды вокруг насоса. Чем больше воды закачивается, тем больше отверстие. Удалять слишком много воды в этом месте — все равно что сжимать простыню и тянуть ее вниз. “Теперь в нее хотят попасть оба направления”, — говорит он. “Шарик катится к отверстию”. Пресная вода продолжает поступать из глубин материка. В то же время соленая морская вода поступает с побережья. Это может сделать грунтовые воды солеными.

Благодаря добавлению очищенных сточных вод в водоносный горизонт система SWIFT предназначена для борьбы как с просадкой грунта, так и с проникновением соленой воды. И это работает.

У вас есть научный вопрос? Мы можем помочь!

Отправьте свой вопрос здесь, и мы, возможно, ответим на него в следующем выпуске Новостей науки.

“Когда мы закачиваем воду в землю, водоносный горизонт расширяется”, — говорит Холлоуэй. Уровень грунта в близлежащих районах повышается незначительно, но ощутимо. Программа все еще находится на ранней стадии, и каждый день на землю сбрасывается 3,8 миллиона литров (1 миллион галлонов) воды.

Цель на ближайшие пять лет — увеличить потребление воды в 50 раз. В конечном счете, SWIFT может остановить оседание грунта в этом районе и обеспечить постоянный источник свежей питьевой воды для миллионов людей.

Если оставить торфяники, подобные этому, в покое, они содержат смесь растений и воды.catolla/iStock/Getty Images Plus

Заставляем природу работать»

В Европе Нидерланды известны своими дамбами, которые сдерживают выход моря. “Почти половина территории Нидерландов находится ниже уровня моря”, — отмечает Том Уилс. Он работает в этой стране в Утрехтском университете. Как физико-географ, он изучает ландшафты. Без дамб низинные торфяники этой страны оказались бы под водой.Эти районы не всегда находились ниже уровня моря. Примерно в 900 году торфяники “находились примерно на высоте 2 метров [6,5 футов] над уровнем моря”, — говорит Уилс. Торф образуется во влажных местах, где мох и другие растения частично разлагаются. Со временем образуется богатый углеродом слой, который можно использовать в качестве удобрения или топлива. Но земля была слишком сырой, чтобы создавать хорошие сельскохозяйственные угодья. Поэтому голландцы начали осушать эти болота. Именно тогда, по словам Уилса, началось оседание почвы. 

Сегодня голландцы используют свои торфяники для разведения молочного скота. Но сначала они должны слить излишки воды. В противном случае эта земля будет слишком влажной, чтобы прокормить коров. Таким образом, земля продолжает погружаться.

В настоящее время голландские торфяники находятся на 2 метра (6,5 футов) ниже уровня моря — в большинстве районов падение составляет 4 метра (13 футов). В тех местах, где люди заготавливают торф для использования в качестве топлива, просадка становится еще глубже.

Wils изучает новые способы уменьшения просадки грунта, поддерживая при этом землю и людей.Один из подходов называется палудикультурой (Puh-LOO-duh-kul-tchur). Это причудливый термин, обозначающий “выращивание культур, которые растут во влажной среде”, — объясняет Уилс. К ним относятся рогоз и тростник — два вида волокнистых растений, которые можно использовать в качестве строительных материалов. На таких участках можно выращивать клюкву и рис для употребления в пищу.При добавлении воды в почву торф разрыхляется. Это также способствует образованию нового торфа, который увеличивает высоту участка.

Большинство голландских полей для выращивания палудикультуры являются экспериментальными. Но сейчас в стране есть одна успешная ферма по выращиванию клюквы.

Клюква растет на болотах, подобных этому, которые были затоплены во время подготовки к сбору урожая.Сангван Ким/iStock/Getty Image Plus

Конечно, у такого мокрого земледелия есть свои проблемы. Затопленные поля могут выделять метан (CH4), мощный парниковый газ. Это более серьезная угроза изменению климата, чем углекислый газ (CO2). Затопленные рисовые поля обычно выделяют метан. Поэтому Wils изучает способы сокращения выбросов этого газа. Он не хочет, чтобы оседание грунта усугубляло изменение климата.

Природа тоже может помочь с оседанием грунта. Поскольку торфяники часто являются частью речных дельт, их может пересекать множество ручьев и рек. При затоплении близлежащие тростники, деревья и другие растения могут задерживать отложения, способствуя образованию нового торфа. Для образования нового торфа требуется время, отмечает Уилс. Но в тех районах, где это происходит, природное решение может помочь поднять почву.

Пояснение: CO2 и другие парниковые газы

И люди, живущие поблизости, могли бы посещать эти природные места, когда захотят выбраться из города.В будущем Нидерланды могут прославиться не только тюльпанами, ветряными мельницами и дамбами. “Имеет смысл развивать ландшафт, [который] поддерживает города”, — говорит Уилс. Это могло бы остановить наводнения и обеспечить людям возможность наслаждаться природными красотами. “На самом деле это очень легко сочетать”.

Мокрое земледелие — это вариант не только для Нидерландов. Оно также используется в Германии, Швейцарии и Соединенных Штатах.

Ни одно решение по борьбе с просадкой грунта не будет работать на каждом участке. Но при достаточно творческом подходе к решению проблем мы можем улучшить ситуацию на земле, чтобы помочь защитить городские районы от повторных наводнений в будущем — не только в Джакарте и Тайбэе, но и во множестве других городов по всей планете.