Grundvatten utgör 30 till 50 procent av Kaliforniens vattenförsörjning, men tills nyligen fanns det få begränsningar för dess hämtning. Sedan 2014 blev Kalifornien den sista västra staten som krävde reglering av grundvattnet. Med deadlines som börjar i år, för första gången får vattenförvaltare i landets främsta jordbruksregion – statens Central Valley – i uppdrag att uppskatta tillgängligt grundvatten. Det är en skrämmande teknisk utmaning.

Nu erbjuder en ny beräkningsmetod som utvecklats av forskare vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en högteknologisk men ändå enkel metod:den parar högupplösta bilder härledda av satellit med avancerad datormodellering för att uppskatta vattenförändring av akvifer från observerade markdeformation. Metoden kan hjälpa till att effektivisera grundvattenspårning över en region, när flera lokala förvaltningsorgan börjar skicka in vattenförvaltningsplaner för att följa 2014 års hållbara grundvattenförvaltningslag (eller SGMA, uttalas "sigma).

"Torkan har varit utbredd genom hela Kaliforniens historia och är oundviklig i framtiden. De traditionella metoderna för att mäta grundvattennivåer har begränsningar för vilken typ av integrerad förvaltning som krävs enligt SGMA, "sa Peter Nico, en Berkeley Lab miljögeokemi, och forskare involverad i insatsen. "Med den här tekniken, det är möjligt att skapa en "levande" modell av grundvattenresurser för Central Valley som kan uppdateras ofta och användas i antingen mycket lokal skala eller mycket stor skala."

Metoden tillämpar en av Berkeley Labs viktigaste styrkor - beräkning - på ett område som är en viktig fokuspunkt för labbet:vattenhållbarhet. Forskarna tror att det skulle kunna lägga ramverket som behövs för vattenförvaltare för att skildra Central Valley grundvattenresurser vid en liten, lokal skala och även i en större skala som tar hänsyn till aggregerade resurser från olika närliggande jurisdiktioner.

Vad landdeformation säger om akvifärvolym

I detta projekt, forskarna utnyttjade data som erhållits från Synthetic Aperture Radar (SAR) satelliter som representerar observerad ytsänkning, eller där mark sjunker och grundvattenlagringskapaciteten har minskat. Sådana data ger en mycket mer detaljerad och makronivåöversikt av vattenmantelkomprimering, en process som är känslig för grundvattennivåer över Central Valley. De parade ihop satellitobservationerna med en offentlig databas över brunnar som borrats i Kalifornien för att uppskatta den rumsliga fördelningen av akvifervolymen som går förlorad varje månad i staten på grund av pumpning.

Deras fynd, publicerades nyligen i tidskriften Nature Vetenskapliga rapporter , tyder på att akvifervolymen påverkas av variationer i effektivt tryck i marken som omger dokumenterade brunnar. För de studerade perioderna, de rumsliga mönstren för förändringar i akvifärvolymen varierar avsevärt mellan åren som representerar torka (oktober 2015 till 2016), nederbörd (2017), och nästan genomsnittlig nederbörd (2018), återspeglar avvikelserna i grundvattenpumpning, som förändras beroende på ytvattenleveranser till jordbrukare.

Forskarna tror att deras metoder kan vara relativt enkla för lokala grundvattenshållbarhetsbyråer att genomföra eftersom de rumsligt uttryckliga uppskattningarna av vattenförlustvolymförlust är relativt billiga att få, och kan användas av lokala myndigheter för att uppskatta lokaliserade områden med intensiv pumpning och övervattenförbrukning av grundvatten.

"Denna teknik gör det möjligt att bedöma grundvattenresurser inte bara på mycket lokal nivå, men i större skala, för att vara till nytta för flera intressenter, "Sa Nico.

Hyperlokalt tillvägagångssätt riskerar att dubbla räkna tillgängligt vatten

Under en lång tid, grundvatten pumpades regelbundet i Kalifornien för att möta vattenbehov när ytvatten kommer från floder, sjöar, och strömmar var otillräckliga – så mycket under de många åren av ihållande torka att massiv överpumpning fick staten att anta SGMA-lagstiftningen.

SGMA kräver att vattenanvändare stoppar övertrassering och bringar kritiskt överdragna grundvattenbassänger till balanserade nivåer av pumpning och återfyllning senast 2040. Lokala grundvattenhållbarhetsmyndigheter som har till uppgift att utveckla hållbara förvaltningspolicyer för övertecknade grundvattenbassänger står nu inför den svåra uppgiften att uppskatta grundvattenanvändning och lagringskapacitet för grundvatten. utan tillräcklig systematisk och kvantitativ övervakning, enligt Berkeley Labs forskare.

Tyvärr, det finns ingen kostnadseffektiv metod som har visat sig vara användbar för att övervaka lagring av akvifer i tillräckligt hög upplösning men ändå över nödvändiga rumsliga omfattningar, även i högt utvecklade jordbruksområden som Kaliforniens Central Valley, enligt Don Vasco, Berkeley Lab senior vetenskapsman och huvudförfattare till uppsatsen för Vetenskapliga rapporter .

Till exempel, ett tillvägagångssätt som använder observerade vattennivåer vid övervakning av borrhål i Central Valley för att indikera akviferstatus är i stort sett ineffektivt, eftersom borrhål vanligtvis är grunda och kanske inte exakt representerar hälsan hos djupare vattendrag. Inte heller skulle de typiskt glest fördelade borrhålen ge information över tillräcklig rumslig utsträckning för att upptäcka lokaliserade områden med hög vattenanvändning.

"Övervakning är avgörande för att bedöma förlusten av lagringskapacitet i en given akvifär - och för att bestämma hastigheten för grundvattenutarmningen - vid en resolution som motsvarar behoven hos myndigheter som ansvarar för grundvattenhantering, från några kilometer till tiotals kilometer, sa Vasco.

Public Policy Institute of California utvärderade nyligen 36 hållbarhetsplaner för grundvatten som lämnats in till staten för 11 kritiskt överdragna bassänger i San Joaquin Valley - Kaliforniens största jordbruksregion. Deras granskning identifierade de potentiella fallgroparna för hyperlokal hantering, som visar att även om uppskattningar av vattenförsörjningen kan verka rimliga när planerna övervägs individuellt, genom att se över planerna sammantaget avslöjar man potentialen som finns för att dubbelräkna vattenförsörjningen genom att ta ett sådant lokaliserat tillvägagångssätt.

Detta perspektiv belyser behovet av ett integrerat övervakningsverktyg som kan tillämpas i liten skala men som också ger en integrerad blick över stora jurisdiktioner som omfattar flera förvaltningsområden för att förhindra att någon påverkan faller genom springorna.

"Om det antas i hela landet, den beräkningsmetod som vi har utvecklat kan göra det möjligt för de nya lokala grundvattenhållbarhetsorganen (GSA) som inrättats under SGMA att uppskatta den rumsliga variationen av grundvattenanvändning för sitt eget område och den större regionen samtidigt, sa Nico.

Tekniken kan också bli ett nytt tillvägagångssätt som intressenter i andra amerikanska stater såväl som andra nationer kan överväga som en del av sina vattenförvaltningsstrategier, sa forskarna.