Forskere kortlægger pulsen af ​​grundvandsstrømmen gennem Californiens Central Valley

Grundvand er en nøgleressource for vandbrugere i Californiens Central Valley, et stort landbrugsknudepunkt med en økonomisk produktion på titusinder af milliarder dollars årligt. Overfladedeformation i Central Valley har længe været forbundet med ændringer i grundvandslagring, men timingen og bevægelsen af ​​vandstrømmen under overfladen er blevet dårligt forstået på grund af mangel på pålidelige data.

Nu, for første gang, videnskabsmænd ved University of California San Diego's Scripps Institution of Oceanography og School of Global Policy and Strategy, såvel som US Geological Survey bruger avancerede satellitdata til at kortlægge "pulsen" af grundvandsstrømmen gennem San Joaquin Valley, den sydlige del af Central Valley.

I en ny undersøgelse offentliggjort 7. april i Vandressourceforskning , de tværfaglige forskere beskriver, hvordan de seneste fremskridt inden for fjernmåling har muliggjort detaljeret kortlægning af overfladedeformation i San Joaquin-dalen og tilhørende ændringer i grundvandsressourcerne.

Undersøgelsen er den første til at se på, hvor og hvornår grundvandet i regionen genoplades - en proces, hvor overfladevand bevæger sig nedad gennem jorden og lavvandede klipper, til sidst føjet til underjordiske butikker kaldet akviferer. Denne genopladning får overfladen til at hæve sig, da grundvandsmagasinet svulmer op på grund af den øgede mængde oplagret vand.

Resultaterne er særligt aktuelle, da Californien implementerer sin lov om bæredygtig grundvandsforvaltning for bedre at forstå og beskytte sine grundvandsressourcer.

"At studere grundvandsbevægelser er som en sort boks - vi forsøger at få enhver form for information om, hvad der sker med vandet under overfladen, " sagde Wesley Neely, en ph.d. kandidat ved Scripps Oceanography og hovedforfatter af undersøgelsen. "Datasættet, vi kigger på i denne undersøgelse, hjælper os med at udfylde nogle af hullerne, og nu er vi i stand til at kortlægge signaturen af ​​grundvandsstrømning gennem Central Valley på politikrelevante skalaer."

Baseret på satellitobservationer, jordens overfladehøjde i Central Valley ændres med plus eller minus 2,75 tommer, efterhånden som underjordiske vandstande stiger og falder i løbet af året. Under tørke, jorden i regionen kan synke med op til 13,7 tommer om året.

De nye observationer blev foretaget ved hjælp af satellitbaseret InSAR (interferometric syntetisk aperture radar) fra Sentinel-1 missionerne og kontinuerlige Global Positioning System (cGPS) data. Forskerne brugte satellitobservationer af bevægelse i jordens overflade til at visualisere vandets bevægelse i undergrunden, effektivt at kortlægge en vigtig geofysisk proces, som ellers er svær og dyr at observere.

"Denne forskning er vigtig, fordi resultaterne giver os et nyt værktøj til at dokumentere og forstå ændringer i forbundne overflade- og grundvandssystemer, " sagde undersøgelsens medforfatter Morgan Levy, en adjunkt med en fælles ansættelse ved UC San Diego's Scripps Oceanography and School of Global Policy and Strategy.

Dette arbejde bygger på en nylig undersøgelse foretaget af Levy og andre UC San Diego forskere, der brugte satellitbaseret billeddannelse til at overvåge nedsynkning, eller synker, i Central Valley, som kan opstå, når store mængder grundvand fjernes fra grundvandsmagasiner.

San Joaquin Valley er et sedimentært bassin, sammensat af grus blandet med lag af ler og silt, med lommer af vand gemt mellem korn af dette materiale. Når vandet tages ud af systemet, den resulterende trykændring kan føre til, at kornene kollapser oven på hinanden, som kan resultere i permanent nedsynkning, en stor bekymring for regionen.

"Det er lidt som et korthus, der falder ned, " sagde Neely. "Når der sker et sammenbrud, det kan være meget svært at åbne op for det rum igen."

Imidlertid, ser på satellitdata fra 2016, et tørt år, og 2017, et vådt år, Neely fandt nogle specifikke regioner i San Joaquin-dalen, hvor løft af overfladen foreslår veje til genopladning af grundvandsmagasiner - hvor og hvornår overfladevand kommer ind i grundvandsreservoirer.

Radarens syn på regionen gav Neely og samarbejdspartnere mulighed for at bygge en tidsserie af billeder, der kunne studeres i detaljer. I stedet for at fokusere på det store nedsynkningssignal fra grundvandsindvindingen, forskerne undersøgte det sæsonmæssige signal, der gemte sig i tidsserien. Sæsonsignalet giver information om hvornår og hvor et punkt på jorden har en relativ topstigning i et givet år, hvilket oversættes til et højeste grundvandsniveau på det tidspunkt.

Kortlægning af dette tidspunkt på tværs af dalen, de fandt områder, hvor den højeste stigning svarede til tidspunktet for vandtilførslen, såsom flodafstrømning fra Sierra Nevada-områderne. I betragtning af tidspunktet for løft og deres nærhed til floder og vandløb, dette tydede på, at grundvandsopladning fandt sted, hvor store mængder vand strømmede ud af nabolandet Sierra Nevada vandskel.

Yderligere, de fandt ud af at bevæge sig væk fra stedet for formodet genopladning, tidspunktet for hævningen ændrer sig på måder, der kan foreslå veje for grundvandsstrømning.

"Det er som at observere en puls, der rejser gennem grundvandsmagasinet, " sagde Neely. "Vi har ikke kun lokaliseret regioner, hvor sæsonbestemt grundvandsgenopladning finder sted, men vi kan estimere tidspunktet for genopladningsbegivenheder, hvor grundvandet kan strømme efter indtrængen i undergrunden, og hvordan denne reaktion ændrer sig i tørre og våde vandår."

Denne undersøgelse giver ny indsigt i et akvifersystem, der kan bruges til at begrænse grundvands- og sænkningsmodeller.

"Den mest interessante del af forskningen var netop at se - i rum og tid - den fysiske sammenhæng mellem overfladevandsnetværk og grundvandsdrevne jordoverfladeændringer. Vi ved, at overfladevand og grundvandsmagasiner er forbundet, men traditionelle datakilder tillader dig ikke at observere disse forbindelser så tydeligt, " sagde Levy.

Deres resultater af ujævn fordeling af grundvandspåfyldning i San Joaquin-dalen modsiger, hvordan grundvandsforvaltningsorganer fungerer i øjeblikket. Nuværende retningslinjer antager, at alle får tilsvarende mængder genopladning.

Forskerne sagde, at deres resultater har alvorlige konsekvenser for, hvordan vandmyndigheder bør tænke på at koordinere deres indsats for at nå bæredygtighedsmål fastsat af staten. Mens denne undersøgelse var baseret i Californien, de skitserede metoder er vidt anvendelige til regionale akvifersystemer over hele verden.