Grundvattenpumpning under det senaste århundradet har bidragit med så mycket som 50 procent till att strömflödet minskar i vissa amerikanska floder, enligt ny forskning ledd av en hydrolog vid University of Arizona.

Den nya studien har viktiga konsekvenser för hanteringen av amerikanska vattenresurser. Lagar som reglerar användningen av grundvatten och ytvatten skiljer sig från stat till stat. Vissa västerländska stater, Arizona bland dem, hantera grundvatten och ytvatten separat.

"Vi försöker ta reda på hur denna grundvattenutarmning faktiskt har omformat vårt hydrologiska landskap, " sa första författaren Laura Condon, en biträdande professor vid University of Arizona i hydrologi och atmosfäriska vetenskaper. "Vad betyder det för oss, och vilka är de bestående effekterna?"

Condon sa att detta är den första studien som tittar på effekten av tidigare grundvattenpumpning över hela USA. Andra forskare har undersökt hur grundvattenpumpning påverkade ytvatten, men i mindre skala.

Med hjälp av en datormodell, Condon och hennes medförfattare, Reed Maxwell från Colorado School of Mines i Golden, fastställt hur USA:s ytvatten skulle ha sett ut utan betydande konsumtionsanvändning och jämförde det med ytvattenbyten sedan storskalig grundvattenpumpning började på 1950-talet.

Forskarna fokuserade särskilt på Colorado- och Mississippiflodens bassänger och tittade uteslutande på effekterna av tidigare grundvattenpumpning eftersom dessa förluster redan har inträffat.

U.S. Geological Survey har beräknat förlusten av grundvatten under 1900-talet till 800 kubikkilometer, eller 649 miljoner acre-fot. Den mängden vatten skulle täcka delstaterna Montana, Idaho, Wyoming, Nevada, Utah, Colorado, Arizona och New Mexico, plus större delen av Kalifornien, med vatten en fot djupt.

"Vi visade det eftersom vi har tagit allt detta vatten ur underytan, som har haft en riktigt stor inverkan på hur vår landytas hydrologi beter sig, " sa hon. "Vi kan visa i vår simulering att genom att ta ut detta grundvatten, vi har torkat upp massor av små bäckar över hela USA eftersom dessa bäckar skulle ha matats av grundvattenutsläpp."

Grundvatten hjälper till att ge vatten till befintlig vegetation, inklusive grödor, sa Condon.

Sjunkande grundvattennivåer och minskande vattendrag kan göra bevattning av grödor svårare och kostsammare. En del inhemsk vegetation inklusive bomullsträd kommer så småningom att dö om grundvattenytan sjunker under deras rötter.

Grundvatten är ofta den långsammaste komponenten i det terrestra hydrologiska systemet för att återhämta sig från förluster, sa Condon.

Forskarna fann att strömmar, sjöar och floder i västra Nebraska, västra Kansas, östra Colorado och andra delar av High Plains har drabbats särskilt hårt av grundvattenpumpning. Det fyndet stämmer överens med andra mindre studier i regionen.

Maxwell sa, "Med denna studie, vi har inte bara kunnat rekonstruera effekten av historisk pumpning på strömutarmningen, men vi kan också använda det i en prediktiv mening, att hjälpa till att hantera grundvattenpumpning på ett hållbart sätt."

Condon och Maxwells artikel, "Simulering av känsligheten hos evapotranspiration och strömflöde för storskalig grundvattenutarmning" är planerad att publiceras i Vetenskapens framsteg den 19 juni. Det amerikanska energidepartementet finansierade forskningen.

Teamets datormodell kartlägger grundvattnet och ytvattnet på ett rutnät av kvadrater 0,6 mil på en sida som täcker större delen av det sammanhängande USA. som inte omfattar kustområdena, inkluderar allt grundvatten ner till 328 fot (100 meter) under landytan.

Maxwell sa, "Vi kan göra saker med dessa modellsimuleringar som vi inte kan göra i verkligheten. Vi kan fråga, 'Tänk om vi aldrig pumpade alls? Vad är skillnaden?'"

Condon sa att bara att göra ett före-och-efter grundvattenpumpningsscenario under ett år tog en enorm mängd datorkraft från superdatorer.

"Vi har cirka 32 miljoner rutnät som vi måste lösa i vår modell, " Hon sa.

De regioner som är mest känsliga för en sänkning av grundvattenytan ligger öster om Klippiga bergen, där grundvattenytan till en början var grunt, på ett djup av 6-33 fot (2-10 meter), Hon sa. I dessa regioner, grundvatten och ytvatten är närmare sammanlänkade, och att utarma grundvattnet är mer störande för vegetationen, bäckar och floder.

I västra USA, grundvattnet var redan djupt, så att minska grundvattnet hade inte lika stor effekt på ytvattnet.

Annan forskning har visat att delar av Mellanvästern där mängden nederbörd används för att motsvara efterfrågan på avdunstning – vilket betyder att växter inte behövde bevattning – blir allt torrare, Hon sa. Det är några av de regioner där grundvattenpumpning har minskat ytvattnet.

"I väst, vi oroar oss mycket för vattentillgången och har många system på plats för att hantera och hantera vattenbrist, " sa Condon. "När du flyttar till öster, där saker är fuktigare, vi har inte så många system på plats."