Исследователи из Стэнфорда и Университета Калгари преобразовали импульсы электрического тока, посылаемые на глубину 1000 футов под землю, в картину проникновения морской воды в пресноводные водоносные горизонты вдоль береговой линии залива Монтерей.
Выводы, которые будут опубликованы в следующем выпуске Журнала гидрологии, но уже доступны в Интернете, помогают объяснить факторы, контролирующие это явление, называемое вторжением соленой воды, и могут помочь улучшить модели подземных вод, которые используют местные водные менеджеры. принимать решения об откачке подземных вод для удовлетворения питьевых или сельскохозяйственных нужд.
«Мы надеемся, что местные водные менеджеры смогут использовать эти результаты, чтобы лучше определить регионы, наиболее пострадавшие от вторжения соленой воды, где целевые методы управления могут быть наиболее эффективно реализованы», - сказала соавтор исследования Мередит Гебель, кандидат наук в Стэнфордском университете. Школа наук о Земле, энергетике и окружающей среде.
Выпускной консультант Goebel, Розмари Найт, специализируется на адаптации инструментов геофизической визуализации для мониторинга и управления запасами пресной воды. «Точно так же, как медицинская визуализация произвела революцию в подходе к управлению здоровьем человека, я считаю, что визуализация Земли с использованием геофизических методов может революционизировать подход к управлению здоровьем наших систем подземных вод», - сказал Найт, профессор Джорджа Л. Харрингтона. в Стэнфорде.
По данным Организации Объединенных Наций, более половины населения мира проживает в пределах 37 миль (60 километров) от побережья, а три четверти всех крупных городов расположены в прибрежных районах. Многие прибрежные сообщества используют подземные воды для удовлетворения своих потребностей в воде для питья и ведения сельского хозяйства. Но удаление слишком большого количества этих грунтовых вод может изменить давление жидкости в подземных водоносных горизонтах, втягивая морскую воду в прибрежные водоносные горизонты и нарушая водоснабжение. Проникновение соленой воды часто бывает необратимым.
ERT
Чтобы определить степень интрузии соленой воды в районе залива Монтерей, исследовательская группа использовала метод геофизической визуализации, называемый томографией удельного электрического сопротивления (ERT), чтобы нанести на карту соленость подземных вод вдоль 28-мильного (45-километрового) участка. береговой линии от Аптоса до Монтерея. ERT измеряет свойство, называемое удельным электрическим сопротивлением. Морская вода электропроводна из-за высокого содержания соли, а пресная вода обладает электрическим сопротивлением.
ERT может стать более дешевой и лучшей альтернативой нынешнему методу, используемому для мониторинга интрузии соленой воды, который включает бурение «сторожевых» скважин в определенных местах.«В отличие от колодцев, которые дают вам информацию только в одном месте, ERT дает вам полный двухмерный срез с пространственным охватом, который просто невозможен с колодцами», - сказал Найт..
Скважины Sentinel также дороги: бурение четырех скважин, используемых для мониторинга вторжения соленой воды вдоль залива Монтерей, обошлось почти в 1 миллион долларов. Напротив, опрос Стэнфордской группы стоил примерно 200 000 долларов.
Опросы ERT также можно повторять в одном и том же месте, чтобы наблюдать за изменениями с течением времени, сказал соавтор исследования Адам Пидлисеки, главный научный сотрудник Aranz Geo. «Наблюдение за различиями во времени часто может быть более полезным, чем попытки понять одно изображение», - сказал Пидлисецкий, который проводил исследование, работая в Университете Калгари в Канаде..
Подсказка по телефону
Для Найта исследование, которое является самым продолжительным и глубоким в своем роде, представляет собой кульминацию амбициозного эксперимента, который начался с телефонной подсказки шесть лет назад.«Гидролог, работающий в районе Монтерея, сказал мне, что существует большой интерес к тому, что происходит с вторжением соленой воды вдоль побережья, и предположил, что это может быть интересным проектом для моей группы», - сказал Найт, который также связан со Стэнфордским лесом. Институт окружающей среды.
Когда Найт связалась с местными городскими властями за разрешением начать опрос, некоторые из них не могли поверить своим ушам. «Одна из них ответила мне: «Я только что потратила сотни тысяч долларов на бурение скважины, а вы говорите, что можете сделать это, прогуливаясь по пляжу?», - сказала она.
Получение необходимых разрешений от городов и частных землевладельцев заняло около года, но осенью 2014 года команда была готова начать исследование. В течение примерно двух недель исследователи из Стэнфордского университета и Университета Калгари работали с инженерами инженерной компании WorleyParsons над прокладкой длинной цепочки электрических кабелей вдоль пляжа. Кабели были проколоты 4-футовыми стальными электродами, погруженными в песок.
После того, как ряд электродов был на месте, команда подавала крошечные импульсы электричества через соединительный провод. Ток распространяется под землей, и, измерив напряжение между парами электродов, команда смогла создать карту удельного сопротивления недр. Меньшее сопротивление означало, что ниже находится больше соленой воды. После того, как команда обследовала часть береговой линии, они вытащили вешки и повторили процесс в другом месте.
Исследование включало в себя проведение долгих часов на солнце, перевозку тяжелого оборудования и кропотливое покрытие почти всей береговой линии залива Монтерей по одной миле за раз, но усилия окупились. «Это первый вид недр в региональном масштабе, который ясно показывает влияние геологии на распределение жидкости, а также влияние прибрежной откачки», - сказал Пидлисецкий. «На протяжении всего процесса мы активно взаимодействовали с менеджерами по подземным водам и техническими специалистами в регионе, а также с общественностью в целом. Мы рады продолжить это сотрудничество, опубликовав эти результаты и поделившись ими через интерактивный трехмерный веб-портал».
Собранные командой данные составили красочную двухмерную карту удельного сопротивления береговой линии, которая показывает сложные закономерности вторжения соленой воды в регион на глубину до 1000 футов и подчеркивает взаимодействие между геологией и человеком. мероприятия, регулирующие распределение пресной и морской воды в регионе. Например, команда обнаружила динамическое тело или «линзу» пресной воды возле Марины, образованную в результате инфильтрации из расположенных выше прудов для стока ливневых вод в районе, который в противном случае подвергался вторжению соленой воды. Карта также показала, что усилия Района управления водными ресурсами Пахаро по сокращению откачки грунтовых вод за счет предоставления оборотной воды ирригаторам работали, как и планировалось.
Кейт Ван Дер Маатен, генеральный директор прибрежного водного района Марина, сказал, что новые результаты могут помочь заполнить многочисленные пробелы в их данных о ресурсах подземных вод.«Текущее картографирование границы раздела пресной и морской воды в нашем регионе имеет много проблем и вводит в заблуждение», - сказал Ван дер Маатен. «Данные ERT помогут нам получить более полную картину, чтобы мы могли двигаться вперед в планировании водоснабжения и усилиях по обеспечению устойчивости подземных вод».
Последующее авиационное исследование
Поскольку удельное электрическое сопротивление является свойством, присутствующим во всех материалах, ERT может найти применение не только в управлении водными ресурсами. «Каждый раз, когда то, что вы пытаетесь отобразить в недрах, имеет другое сопротивление, чем окружающий его материал, вы сможете использовать этот метод», - сказал Гебель.
Найт еще не закончил с регионом залива Монтерей. Ее команда в партнерстве с Морским прибрежным водным округом провела дополнительную съемку с борта вертолета, в которой используется другой геофизический метод для картирования удельного электрического сопротивления под поверхностью во внутренних районах региона.
«Вместо одного среза аэрофотосъемка даст нам сотни срезов и позволит составить трехмерную картину распределения пресной воды под землей», - сказал Гебель.