Kunne svaret på grundvandsressourcerne komme højt oppe fra himlen?

Grundvand udgør 30 til 50 procent af Californiens vandforsyning, men indtil for nylig var der kun stillet få restriktioner for dets genfinding. Så i 2014 blev Californien den sidste vestlige stat, der krævede regulering af sit grundvand. Med deadlines fra i år, for første gang får vandforvaltere i landets førende landbrugsregion - statens Central Valley - til opgave at estimere tilgængeligt grundvand. Det er en skræmmende teknologisk udfordring.

Nu tilbyder en ny beregningsmetode udviklet af forskere ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en højteknologisk, men simpel metode:den parrer højopløsningsbilleder afledt af satellit med avanceret computermodellering for at estimere ændring af akvifervolumen fra observeret jorddeformation. Metoden kan hjælpe med at strømline grundvandssporing på tværs af en region, når flere lokale forvaltningsorganer begynder at indsende vandforvaltningsplaner for at overholde 2014 Sustainable Groundwater Management Act (eller SGMA, udtales "sigma).

"Tørke har været udbredt gennem Californiens historie og er uundgåelig i fremtiden. De traditionelle metoder til måling af grundvandsniveauer har begrænsninger for den type integrerede forvaltning, der kræves under SGMA, sagde Peter Nico, en miljøgeokemiker fra Berkeley Lab, og forsker involveret i indsatsen. "Ved at bruge denne teknik, det er muligt at skabe en 'levende' model af grundvandsressourcer til Central Valley, som kan opdateres hyppigt og bruges i enten meget lokal skala eller meget stor skala."

Metoden anvender en af ​​Berkeley Labs vigtigste styrker - computing - på et område, der er et væsentligt fokuspunkt for laboratoriet:vandets bæredygtighed. Forskerne mener, at det kunne lægge den nødvendige ramme for vandforvaltere til at skildre Central Valley grundvandsressourcer på en lille, lokal skala og også i en bredere skala, der tager højde for aggregerede ressourcer fra forskellige nærliggende jurisdiktioner.

Hvad landdeformation siger om akvifervolumen

I dette projekt, forskerne udnyttede data opnået fra Synthetic Aperture Radar (SAR) satellitter, der repræsenterer observeret overfladesænkning, eller hvor jord synker, og grundvandslagringskapaciteten er skrumpet. Sådanne data giver et langt mere detaljeret øjebliksbillede på makroniveau af akviferkomprimering, en proces, der er følsom over for grundvandsniveauer på tværs af Central Valley. De parrede satellitobservationerne med en offentlig database over brønde boret i Californien for at estimere den rumlige fordeling af det akvifervolumen, der går tabt hver måned i staten på grund af pumpning.

Deres resultater, udgivet for nylig i tidsskriftet Nature Videnskabelige rapporter , tyder på, at akvifervolumen er påvirket af variationer i det effektive tryk i jorden omkring dokumenterede brønde. For de undersøgte perioder, de rumlige mønstre af ændringer i akvifervolumen varierer betydeligt mellem år, hvilket repræsenterer tørke (oktober 2015 til 2016), nedbør (2017), og næsten gennemsnitlig nedbør (2018), afspejler afvigelserne i grundvandspumpning, som ændrer sig afhængigt af overfladevandsleverancer til landmænd.

Forskerne mener, at deres metoder kunne være relativt enkle for lokale agenturer for bæredygtighed i grundvandet at implementere, fordi de rumligt eksplicitte estimater af tab af akvifervolumen er relativt billige at opnå, og kan bruges af lokale myndigheder til at estimere lokale områder med intensiv pumpning og overforbrug af grundvand.

"Denne teknik gør det muligt at vurdere grundvandsressourcerne ikke kun på det meget lokale niveau, men i større skala, for at være til gavn for flere interessenter, " sagde Nico.

Hyperlokal tilgang risikerer at dobbelttælle tilgængeligt vand

I lang tid, grundvand blev regelmæssigt pumpet i Californien for at dække vandbehovet, når overfladevand kommer fra floder, søer, og vandløb var utilstrækkelige - så meget under de mange år med vedvarende tørke, at massiv overpumpning skubbede staten til at vedtage SGMA-lovgivningen.

SGMA kræver, at vandbrugere standser overtræk og bringer kritisk overtrukne grundvandsbassiner til afbalancerede niveauer for pumpning og genopladning inden 2040. Lokale grundvandsbæredygtighedsagenturer, der har til opgave at udvikle bæredygtige forvaltningspolitikker for overtegnede grundvandsbassiner, står nu over for den vanskelige opgave at estimere grundvandsforbrug og lagerkapacitet for grundvandsmagasiner uden tilstrækkelig systematisk og kvantitativ overvågning, ifølge Berkeley Labs forskere.

Desværre, der er ingen omkostningseffektiv metode, der har vist sig nyttig til at overvåge akviferopbevaring i tilstrækkelig høj opløsning, men alligevel over nødvendige rumlige udstrækninger, selv i højt udviklede landbrugsområder som Californiens Central Valley, ifølge Don Vasco, Berkeley Lab senior videnskabsmand og hovedforfatter af papiret for Videnskabelige rapporter .

For eksempel, en tilgang, der anvender observerede vandstande til overvågning af boringer i hele Central Valley for at indikere akviferstatus, er stort set ineffektiv, fordi borehuller normalt er lavvandede og måske ikke nøjagtigt repræsenterer sundheden for dybere grundvandsmagasiner. De typisk spredte boringer vil heller ikke give information over tilstrækkelige rumlige udstrækninger til at opdage lokaliserede områder med høj vandforbrug.

"Overvågning er afgørende i vurderingen af ​​tabet af lagerkapacitet i en given grundvandsmagasin - og ved bestemmelse af hastigheden af ​​grundvandsudtømning - i en opløsning, der svarer til behovene hos agenturer, der er ansvarlige for grundvandsforvaltning, fra nogle få kilometer til snesevis af kilometer, sagde Vasco.

Public Policy Institute of California evaluerede for nylig 36 bæredygtighedsplaner for grundvandet, der blev indsendt til staten for 11 kritisk overtrukne bassiner i San Joaquin Valley - Californiens største landbrugsregion. Deres gennemgang identificerede de potentielle faldgruber ved hyperlokal ledelse, viser, at skønt vandforsyningsskøn kan forekomme rimelige, når planerne vurderes individuelt, gennemgang af planerne samlet afslører det potentiale, der eksisterer for dobbelttælling af vandforsyninger ved at tage en sådan lokaliseret tilgang.

Dette perspektiv fremhæver behovet for et integreret overvågningsværktøj, der kan anvendes i lille skala, men som også giver et integreret blik på tværs af store jurisdiktioner, der omfatter flere forvaltningsområder for at forhindre, at påvirkninger falder gennem sprækkerne.

"Hvis vedtaget i hele landet, den beregningsmetode, som vi har udviklet, kunne give de nye lokale grundvandsbæredygtighedsagenturer (GSA), der er etableret under SGMA, mulighed for at estimere den rumlige variation af grundvandsforbruget for deres eget område og den større region på samme tid, " sagde Nico.

Teknikken kan også blive en ny tilgang, som interessenter i andre amerikanske stater såvel som andre nationer kan overveje som en del af deres vandforvaltningsstrategier, sagde forskerne.