Forskning forbinder synkende land med regioner med høj efterspørgsel efter grundvand

Overdreven pumpning fra underjordiske grundvandsmagasiner kan få det omkringliggende land til at synke og føre til skader på gader, broer og anden infrastruktur, reduceret grundvandslagring, og forurenet drikkevand, ifølge forskere ved Missouri S&T. De bruger en form for kunstig intelligens kendt som maskinlæring til at kortlægge forliset - kaldet landsynkning - for at hjælpe vandpolitiske embedsmænd med at træffe informerede beslutninger.

Dr. Ryan Smith, en assisterende professor i hydrologi i geovidenskab og geologisk og petroleumsingeniørafdeling ved S&T, siger stigende temperaturer, ændrede nedbørsmønstre og stigende efterspørgsel efter ferskvand lægger yderligere pres på grundvandsmagasinerne. Hyppigere og ekstreme tørkeperioder samt oversvømmelser reducerer evnen til at opfange og opbevare vand. Det vestlige USA er særligt hårdt ramt på grund af begrænset tilgængelighed af overfladevand, hurtigt voksende befolkninger og højværdiafgrøder, der kræver store mængder vand.

Traditionelle metoder til måling af landsynkning i områder med indvinding af grundvand er ikke kun tidskrævende, men også dyrt og kan resultere i fejl eller huller, siger Smith. Omvendt maskinlæring kvantificerer forholdet mellem bredt tilgængelige grundvandsdata og landsynkning og kan bruges til at forudsige fremtidig sætning. Dataene inkluderer fordampningshastigheder fra jordoverfladen og planter, arealanvendelse og sedimenttykkelse.

For at udføre deres forskning, Smith og hans ph.d. studerende, Sayantan Majumdar, kompilerede hydrologiske data og nedsynkningsdata fra satellitter og jordbaserede GPS-stationer på tværs af det vestlige USA, inklusive Californien, Arizona, og Nevada.

Californien tegner sig for 75% af det samlede nedsynkning i det vestlige USA. Grundvand vander millioner af acres afgrødejord i Californiens Central Valley, et 450 mil langt landbrugsjord, hvor en tredjedel af landets frugter og grøntsager dyrkes. Det er et af de hårdest ramte områder for nedsynkning. Smith og Majumdars model anslår, at landet synker over to tommer om året over et stort område af dalen, og nedsynkningsrater i nogle dele af dalen er blevet målt til at være næsten en fod om året.

"Det påvirker infrastrukturen - hjem, broer og kanaler, " siger Smith. "Kanaler revner eller fungerer ikke ordentligt. Californien bygger også højhastighedstog gennem dalen, så denne information kunne hjælpe dem med at planlægge."

Potentialet for arsenudvaskning er et indirekte problem med sænkning, siger Smith. Da pumpning sænker vandstanden i lavvandede grundvandsmagasiner, der bruges til kunstvanding, lokalbefolkningen henvender sig til dybere vand for deres drikkevareforsyning. Pumper fra dybere, tryksatte akviferer kan få arsenholdigt ler til at komprimere og frigive forurenende stoffer i grundvandsmagasinet, hæve arsen i drikkevandet til farlige niveauer. Disse grundvandsmagasiner indeholder vand, der er tusinder af år gammelt, og de fyldes ikke hurtigt op, siger Smith.

Smith og Majumdar udvider deres metode til at estimere andre hydrologiske forhold, såsom grundvandsbehov i højforbrugende grundvandsmagasiner, inklusive High Plains Aquifer i Kansas, Basin and Range Aquifers i Arizona og Mississippi River Alluvial Aquifer i det sydlige USA. Resultaterne kan påvirke grundvandshåndtering rundt om i verden og i Missouri.

"Den våde region i det sydøstlige Missouri har høj grundvandsefterspørgsel efter afgrøder, "Siger Smith. "Embedsmænd i Mississippi alluviale sletten kunne bruge det, vi har lært, til at planlægge forud for grundvandsbehov. Vi ønsker at arbejde sammen med landbrugssamfundet for en win-win."

Smith og Majumdar har skrevet et papir om forskningen. Deres resultater er offentliggjort i Vandressourceforskning , en publikation fra American Geophysical Union (AGU).