Årtionden av överpumpande grundvatten har irreversibelt förändrat lerlager i delar av Kaliforniens Central Valley, få marken att sjunka och permanent minska dess förmåga att lagra vatten, visar en ny satellitfjärranalysstudie.

Forskningen, publicerad av Stanford-forskare online i tidskriften Vattenresursforskning , avslöjar att mark i delstatens San Joaquin Valley (ungefär den södra halvan av Central Valley) sjönk nästan tre fot (85 cm) under en nyligen torkad på grund av överpumpning. Detta leder till en permanent förlust av naturlig vattenlagringskapacitet på mellan 336, 000 och 606, 000 tunnland fot; en tunnland är lika med 326, 000 liter. För jämförelse, Hetch Hetchy Reservoir som levererar vatten till San Francisco (och Stanford) har en kapacitet på cirka 360, 000 tunnland.

San Joaquin Valley är en av USA:s största jordbruksnav, odlar grödor till ett värde av uppskattningsvis 17 miljarder dollar per år. De nya rönen kommer precis när staten upplever sin regnigaste säsong på flera år efter en förlängd, rekordstor torka. "Kalifornien får allt detta regn, men i Central Valley, det har gått förlorat utrymme för att lagra det, " sa studiens medförfattare Rosemary Knight, som är George L. Harrington professor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap.

Minskad lagring

Knight och hennes kollegor använde data som förvärvats med en satellitteknik som kallas Interferometric Synthetic Aperture Radar, eller InSAR, att mäta höjdförändringar i centimeterskala i San Joaquin-dalen mellan 2007 och 2010. "Vårt arbete är ett bra exempel på användningen av jordobserverande satelliter för att svara på jordnära frågor om vattenresursernas hållbarhet, " sa studiens medförfattare Thomas Farr, en forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien.

Med InSAR-data, teamet kunde beräkna mängden sättningar – eller sjunkningar – som marken upplevde. Säkning sker när vattentrycket i underytan sjunker under en kritisk nivå på grund av för mycket grundvattenavlägsning, leder till sedimentkomprimering. "När du pumpar grundvatten ur en akvifer, vattentrycket i de små porerna i sedimentet sjunker, " sade studiens första författare Ryan Smith, en doktorand i Knight's lab. "Det minskar akvifärens förmåga att hålla upp marken ovanför den och får den att kollapsa. Den kollapsen manifesteras vid ytan som sättningar."

Om för mycket vatten utvinns, särskilt från lerlager, packningen blir irreversibel och markens förmåga att hålla kvar vatten försämras permanent. "När för mycket vatten tas ur lera, dess struktur omarrangeras på mikroskopisk nivå och den sätter sig i en ny konfiguration som har mindre lagringsutrymme, sade riddaren, som också är knuten till Stanford Woods Institute for the Environment.

Detta gör det inte bara svårare att lagra vatten i framtiden, det gör det också svårare att dra ut befintligt vatten i nuet. "Det är som att försöka suga vatten från ett riktigt tunt sugrör, " sa Knight. "Trycket som måste utövas för att dra ut vattnet blir större och större när lerstrukturen kollapsar."

Forskarna undersökte bara InSAR-data som samlats in under torkaperioden mellan 2007 och 2010. Sedan dess, Kalifornien har upplevt en svårare torka, från 2012 till 2016.

"Jag tror att det är säkert att säga att den senaste torkan kan ha orsakat minst lika mycket, eller ännu mer, sättningar och permanent packning i regionen än den förra, " sade Smith. Han pekade på senaste InSAR-data som inte ingår i denna studie som visar ytterligare sättningar från den senaste torkan.

Förbättra laddningen

Ett sätt som bönder i regionen skulle kunna lindra problemet, Knight sa, är att undvika att dra vatten från lerlager och istället pumpa från sand- och gruslager, som är lättare att ladda och är mindre känsliga för permanent packning.

Tills nyligen, dock, att skilja lerlager från sand och grus från ytan krävde borrning av dyra brunnar. Men Knights grupp testar en ny geofysisk elektromagnetisk metod som går ut på att flyga en helikopter utrustad med instrument som kan avbilda underytan från luften för att skapa en tredimensionell karta av lera, sand- och grusavlagringar.

"Med rätt geofysiska verktyg, "Knight sa, "Vi kan inte bara bättre förstå sammansättningen av underytan, men också hjälpa till att styra pump- och grundvatteninsatser."