Прогнозирование риска подтоплений грунтовыми водами в низменной карстовой системе при будущих климатах

Почему растущие подземные наводнения важны

Когда мы представляем наводнения, мы обычно думаем о реках, выходящих из берегов, или о штормах, накрывающих морские дамбы. Но в некоторых районах западной Ирландии наводнения могут подниматься бесшумно снизу: грунтовые воды заполняют естественные впадины в известняковом ландшафте и образуют временные озёра, называемые турлауγами. В этом исследовании рассматривается, как эти скрытые наводнения, вероятно, изменятся по мере потепления климата — с помощью продвинутого компьютерного моделирования, позволяющего заглянуть к концу столетия и помочь сообществам планировать более влажное будущее.

Ландшафт, сформированный породой, дождём и приливами

Исследование сосредоточено на низменной карстовой области, стекающей в залив Голуэй. Здесь дождь, падающий на близлежащие холмы, просачивается в трещины и туннели подстилающего известняка и вновь проявляется в мелких впадинах, которые периодически наполняются водой. Эти естественные бассейны связаны с морем через подземную систему, поэтому океанские приливы могут незаметно повышать или понижать уровень грунтовых вод в глубине суши. Поскольку большая часть процессов происходит вне поля зрения, а вода может быстро перемещаться по этой сети ходов, наводнения трудно предсказать с помощью традиционных моделей, ориентированных на реки.

Обучение «умной» модели следовать за водой

Чтобы распутать эту сложность, авторы построили модель машинного обучения, известную как байесовская нейронная сеть. Они обучали её на почти десятилетии реальных измерений: ежедневных данных о rainfall, изменениях уровня моря в порту Голуэй и суммарном объёме воды, хранящемся в пяти контролируемых турлаугах. Модель научилась не только тому, как сегодняшний дождь и прилив влияют на наводнения, но и как несколько предыдущих дней влажной или сухой погоды подготавливают систему. Тесты на данных, не использованных при обучении, показали, что модель очень точно воспроизводит наблюдаемые объёмы наводнений, хотя она склонна быть осторожной по отношению к самым крупным всплескам — значит, её наиболее экстремальные прогнозы, вероятно, консервативны.

Взгляд вперёд при разных сценариях потепления

Имея эту обученную модель, группа подала в неё будущие проекции осадков из набора региональных климатических симуляций, вместе с приливными условиями, на период 2016–2100 годов. Они рассмотрели два сценария парниковых газов: один, в котором глобальные эмиссии стабилизируются (RCP 4.5), и другой, в котором они продолжают резко расти (RCP 8.5). По данным одиннадцати различных климатических реализаций, оба будущих варианта показали рост подтоплений грунтовыми водами с течением времени, но путь с высокими эмиссиями выделялся сильнее. Периоды сильных дождей стали более влажными, почва чаще переходила в состояние, благоприятное для наводнений, а объёмы затопления турлауг увеличивались быстрее, особенно зимой и в прилегающие «переходные» месяцы.

Как короткие ливни и фоновая влажность провоцируют наводнения

Исследование также изучало, что на самом деле вызывает самые разрушительные события. Сравнивая пиковые значения наводнений с суммами осадков за дни и недели до каждого события, авторы выяснили, что решающее значение имеют дожди, выпавшие в течение нескольких дней непосредственно перед ним. Более длительные накопления по-прежнему играют роль, но ключевой триггер — это короткие, интенсивные ливни на уже увлажнённой почве. В течение десятилетий сценарий с высокими эмиссиями формировал заметно более влажные «начальные условия» перед штормами, поэтому тот же самый ливень, который раньше вызывал лишь незначительное подтопление, теперь с большей вероятностью формирует обширные, соединяющиеся озёра по ландшафту.

Временные закономерности: когда море и небо сговариваются

Чтобы увидеть, как разные факторы выстраиваются во времени от месяцев до десятилетий, команда использовала методику, выявляющую связи на множественных временных шкалах. Осадки выступили главным фактором подтопления грунтовыми водами во всех случаях, и их влияние усиливалось по мере потепления климата. Приливные эффекты были слабее, но в мире с высокими эмиссиями стали более значимыми, особенно на многолетних временных интервалах, поскольку повышение уровня моря затрудняет отток грунтовых вод в сторону моря. Анализ экстремальных явлений добавил ещё одно предупреждение: штормы, которые раньше ожидались примерно раз в столетие, к концу века при продолжении высоких эмиссий могут повторяться примерно раз в 16 лет.

Что это значит для людей и планирования

Для жителей, фермеров и планировщиков в низменных карстовых районах послание ясно. Даже без драматического выхода рек из берегов, подземные наводнения, вероятно, станут глубже, чаще и шире по мере потепления планеты, особенно если эмиссии останутся высокими. Исследование показывает, что сочетание детальных местных измерений, сложных методов машинного обучения и климатических проекций позволяет определить, как часто могут происходить опасные подтопления грунтовыми водами в будущем. Эти знания могут направить проектирование дорог, домов, дренажных систем и планов реагирования на чрезвычайные ситуации, чтобы они были устойчивы не только к сегодняшнему климату, но и к куда более влажным десятилетиям, которые могут наступить.

Цитирование: Tabbussum, R., Basu, B., Morrissey, P. et al. Projecting groundwater flood risk in a lowland karst system under future climates. Sci Rep 16, 13935 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43701-7

Ключевые слова: подтопления грунтовыми водами, карстовые ландшафты, изменение климата, риск наводнений, Ирландия