I Kalifornien, mängden vatten som kommer ut ur akvifärer under statens mest produktiva jordbruksregion överstiger vida mängden vatten som sipprar in igen. Den här skenande övertrasseringen har fått mark över stora delar av regionen att sjunka som en utpressad svamp, permanent utarmar grundvattenlagringskapaciteten och skadar infrastrukturen.

Trenden – och ett mandat från 2014 för hållbar grundvattenhantering i delstaten – har väckt intresse för att fylla på akviferer i Kaliforniens Central Valley genom hanterad översvämning av marken ovanför dem. Men hittills har det inte funnits något tillförlitligt sätt att veta var denna typ av botemedel kommer att vara mest effektiv. Ny forskning från Stanford University föreslår ett sätt att kartlägga exakt var och hur man använder grundvattenladdning för att fylla på vattendrag och stoppa sjunkningen.

Delar av Central Valley sjönk med så mycket som 28 fot under första hälften av 1900-talet, och under de senaste decennierna har vissa platser minskat med nästan 8 tum per år. Modellering i den nya studien, publiceras i den peer-reviewade tidskriften Vattenresursforskning , indikerar att marken kommer att sjunka ytterligare 13 fot eller mer på vissa platser under de närmaste 20 åren om inte pumpen saktar ner.

Även under ett scenario där pumpningen aldrig överstiger mängden vatten som går in i akviferer, modellen förutspår fortsatt sjunkande när tidigare checkräkningskrediter tar ut sin rätt. "Det finns en tidsfördröjning i systemet, " sa geofysikern Rosemary Knight, senior författare på studien och professor vid Stanford's School of Earth, Energi- och miljövetenskap. "Det enda sättet vi kan stoppa det är att vara strategisk om vad vi gör med vårt tillgängliga laddningsvatten."

En perfekt storm

Ett normalt år, vatten i kanaler, reservoarer och floder är tillräckliga för de flesta bevattning i Central Valley, medan akviferer ger ett komplement. Under de senaste torkaåren, dock, Yttillförseln blev knapp och bönder som bidrog till regionens jordbruksindustri på 17 miljarder dollar förlitade sig mer på grundvatten.

"Det är en perfekt storm av en omfattande jordbruksindustri i kombination med låg nederbörd, varma temperaturer, behovet av att pumpa grundvatten och ett överflöd av lera som är benägen att sätta sig, " sa Knight. Leror här som kompakterar när de pumpas torra tenderar också att vara rika på arsenik, som intensiv pumpning kan släppa ut i vattenförsörjningen. "Så du har problem med vattenmängd och vattenkvalitet, "Sa Knight.

Laddningsmetoder som nu används eller övervägs allvarligt i Kalifornien innebär att översvämma åkrar eller fruktträdgårdar under vintermånaderna eller skapa uppladdningsdammar året runt. "Nyckelfrågan är vart vattnet tar vägen?" sa Knight. "Om du ska översvämma en bondes åker, du borde vara säker på att det kommer att fungera."

Att veta var vattnet kommer att gå under jorden beror på att kartlägga de invecklade kanalerna av sand och grus som sammanflätar tätt packade leror och silter. I Kalifornien, att information ofta kommer från borrentreprenörers rapporter till statliga tillsynsmyndigheter, som är dyra att förvärva och inte täcker områden mellan eller under de borrade brunnarna. Som ett resultat, det vanligaste tillvägagångssättet för att hantera sjunkningar är reaktivt. "Om vi ​​proaktivt hanterar kan vi förhindra oåterställbar lagringsförlust, "sa huvudförfattaren Ryan Smith, en professor vid Missouri University of Science and Technology som avslutade forskningen som Ph.D. student i geofysik vid Stanford.

Över och under jord

Det nya tillvägagångssättet, baserat på ett äktenskap av två typer av fjärranalysdata, kan tillämpas i stora jordbruksregioner till relativt låg kostnad. Knight och Smith analyserade strukturen av sand- och lerlager som hade uppmätts i en tidigare studie genom att sända elektromagnetiska signaler från en helikopter på tre platser i Tulare County, cirka 45 miles söder om Fresno, Kalifornien. De bearbetade också data från offentliga satellitbilder för att mäta hur mycket marken hade sjunkit.

"Jag insåg att båda datamängderna var kopplade till lerinnehåll, " sa Smith. "Jag trodde, om det finns ett matematiskt sätt att koppla ihop dessa två, då skulle vi kunna bygga en prediktiv modell för sättningar." Studien beskriver en metod för att anpassa befintliga matematik- och fysikalgoritmer för att integrera de två datamängderna i en modell.

Endast en bit av Kalifornien har kartlagts med båda typerna av fjärranalysdata, noterade Tim Godwin, en senior ingenjörsgeolog vid California Department of Water Resources, som har stött Knights ansträngningar att utöka luftburna elektromagnetiska undersökningar i staten. Men när dessa datauppsättningar växer, han sa, Att koppla dem med verktyg för att förutsäga sjunkande hjälper till att svara på frågor om de bästa sätten att uppfylla hållbarhetsmålen. "Grundvattenförvaltare kommer att kunna mer exakt förutsäga mottaglighet för nedsänkningsförhållanden och ha större förtroende för föreslagna projekt, " han sa.

Enligt Smith, sättningar under de kommande åren kan bli ännu allvarligare än vad den nuvarande modellen indikerar om borrare fördjupar regionens brunnar för att klara framtida vattenbrist. "Det finns fortfarande djupare, till stor del outnyttjade akviferer som, om pumpas, skulle få en dramatisk tryckförlust, ", sade han. "Det skulle få lerorna att kompakteras mer än de gör i de delar av akvifären som används idag."