В Калифорнии количество воды, выходящей из водоносных горизонтов в самом продуктивном сельскохозяйственном регионе штата, намного превышает количество воды, просачивающейся обратно. Из-за безудержного перерасхода земли в большей части региона утонули, как выжатая губка. постоянно истощает запасы подземных вод и наносит ущерб инфраструктуре.
Тенденция - и мандат 2014 года по устойчивому управлению подземными водами в штате - вызвала интерес к пополнению водоносных горизонтов в Центральной долине Калифорнии посредством управляемого затопления земли над ними. Но до сих пор не было надежного способа узнать, где этот тип средства защиты будет наиболее эффективным. Новое исследование Стэнфордского университета предлагает способ точно нанести на карту, где и как использовать пополнение запасов подземных вод, чтобы пополнить водоносные горизонты и остановить погружение.
Части Центральной долины опустились на целых 28 футов в течение первой половины 20го века, а в последние десятилетия некоторые места опустились почти на 8 дюймов в секунду. год. Моделирование в новом исследовании, опубликованном в рецензируемом журнале Water Resources Research, показывает, что в течение следующих 20 лет грунт в некоторых местах опустится еще на 13 футов или более, если откачка не замедлится.
Даже при сценарии, когда откачка никогда не превышает количества воды, поступающей в водоносные горизонты, модель предсказывает дальнейшее погружение, поскольку прошлые овердрафты берут свое. «В системе есть временная задержка», - сказала геофизик Розмари Найт, старший автор исследования и профессор Стэнфордской школы наук о Земле, энергетике и окружающей среде.«Единственный способ остановить это - стратегически подходить к тому, что мы делаем с доступной водой для подпитки».
Идеальный шторм
В обычный год воды в каналах, водохранилищах и реках достаточно для большей части орошения в Центральной долине, в то время как водоносные горизонты служат дополнением. Однако в последние засушливые годы поверхностных запасов воды стало не хватать, и фермеры, вносящие 17 миллиардов долларов в сельское хозяйство региона, в большей степени полагались на грунтовые воды.
«Это идеальный шторм обширного сельскохозяйственного производства в сочетании с малым количеством осадков, высокими температурами, необходимостью откачки грунтовых вод и обилием глины, склонной к проседанию», - сказал Найт. Глины здесь, которые уплотняются при выкачивании всухую, также, как правило, богаты мышьяком, который при интенсивной откачке может попасть в источники воды. «Значит, у вас проблемы с количеством и качеством воды», - сказал Найт.
Методы подпитки, которые в настоящее время используются или серьезно рассматриваются в Калифорнии, включают затопление полей или садовых рощ в зимние месяцы или создание круглогодичных прудов подпитки.«Ключевой вопрос: куда уходит вода?» - сказал Найт. «Если вы собираетесь затопить фермерское поле, вы должны быть уверены, что это сработает».
Знание того, где вода уйдет под землю, зависит от картирования сложных каналов из песка и гравия, которые переплетаются с плотно утрамбованными глинами и илом. В Калифорнии эта информация часто поступает из отчетов буровых подрядчиков регулирующим органам штата, получение которых обходится дорого и не охватывает территории между пробуренными скважинами или под ними. В результате наиболее распространенным подходом к решению проблемы оседания является реактивный. «Если мы проактивно управляем, то можем предотвратить безвозвратную потерю памяти», - сказал ведущий автор Райан Смит, профессор Университета науки и технологий штата Миссури, который завершил исследование в качестве аспиранта геофизики в Стэнфорде..
Над и под землей
Новый подход, основанный на объединении двух типов данных дистанционного зондирования, может применяться в крупных сельскохозяйственных регионах при относительно низких затратах. Найт и Смит проанализировали структуру слоев песка и глины, которые были измерены в предыдущем исследовании, путем передачи электромагнитных сигналов с вертолета в трех местах в округе Туларе, примерно в 45 милях к югу от Фресно, штат Калифорния. Они также обработали данные общедоступных спутниковых изображений, чтобы измерить, насколько просела земля.
«Я понял, что оба набора данных связаны с содержанием глины», - сказал Смит. «Я подумал, что если есть математический способ связать эти два явления, то мы сможем построить прогнозирующую модель оседания». В исследовании описывается метод адаптации существующих математических и физических алгоритмов для интеграции двух наборов данных в одну модель.
Только кусочек Калифорнии был нанесен на карту с использованием обоих типов данных дистанционного зондирования, отметил Тим Годвин, старший инженер-геолог из Калифорнийского департамента водных ресурсов, который поддержал усилия Найта по расширению аэроэлектромагнитных съемок в штате.. Но по мере роста этих наборов данных, по его словам, объединение их с инструментами для прогнозирования погружения поможет ответить на вопросы о наилучших способах достижения целей устойчивого развития. «Управляющие подземными водами смогут более точно прогнозировать восприимчивость к условиям проседания и будут более уверены в предлагаемых проектах», - сказал он..
По словам Смита, оседание грунта в ближайшие годы может быть еще более серьезным, чем предполагает текущая модель, если бурильщики углубят скважины в регионе, чтобы справиться с будущей нехваткой воды. «Есть еще более глубокие, в значительной степени неиспользованные водоносные горизонты, которые, если их выкачивать, будут иметь резкое падение давления», - сказал он. «Это приведет к тому, что глины уплотнятся сильнее, чем в тех частях водоносного горизонта, которые используются сегодня».