Överdriven pumpning från underjordiska akviferer kan få den omgivande marken att sjunka och leda till skador på gator, broar och annan infrastruktur, minskad grundvattenlagring, och förorenat dricksvatten, enligt forskare vid Missouri S&T. De använder en form av artificiell intelligens som kallas maskininlärning för att kartlägga förlisningen – kallad landsättning – för att hjälpa vattenpolitiska tjänstemän att fatta välgrundade beslut.

Dr Ryan Smith, en biträdande professor i hydrologi vid avdelningen för geovetenskap och geologisk och petroleumteknik vid S&T, säger stigande temperaturer, förändrade nederbördsmönster och ökande efterfrågan på sötvatten sätter ytterligare påfrestningar på akviferer. Mer frekventa och extrema torka samt översvämningar minskar förmågan att fånga upp och lagra vatten. Västra USA har drabbats särskilt hårt på grund av begränsad tillgång till ytvatten, snabbt växande befolkningar och högvärdiga grödor som kräver stora mängder vatten.

Traditionella metoder för att mäta landsättningar i områden med grundvattenutvinning är inte bara tidskrävande, men också dyrt och kan resultera i fel eller luckor, säger Smith. Omvänt, maskininlärning kvantifierar förhållandet mellan allmänt tillgängliga grundvattendata och landsättningar och kan användas för att förutsäga framtida sättningar. Uppgifterna inkluderar avdunstningshastigheter från landyta och växter, markanvändning och sedimenttjocklek.

För att utföra sin forskning, Smith och hans Ph.D. studerande, Sayantan Majumdar, sammanställda hydrologiska data och sättningsdata från satelliter och markbaserade GPS-stationer över västra USA, inklusive Kalifornien, Arizona, och Nevada.

Kalifornien står för 75 % av den totala sättningen i västra USA. Grundvatten bevattnar miljontals hektar odlingsmark i Kaliforniens Central Valley, en 450 mil lång sträcka av jordbruksmark där en tredjedel av landets frukter och grönsaker odlas. Det är ett av de hårdast drabbade områdena för sättningar. Smith och Majumdars modell uppskattar att landet sjunker över två tum om året över ett stort område av dalen, och sättningshastigheter i vissa delar av dalen har uppmätts till nästan en fot per år.

"Det påverkar infrastrukturen - hem, broar och kanaler, " säger Smith. "Kanaler spricker eller fungerar inte som de ska. Kalifornien bygger också höghastighetståg genom dalen, så den här informationen kan hjälpa dem att planera."

Potentialen för arsenikläckage är ett indirekt problem med sättningar, säger Smith. Eftersom pumpning sänker vattennivåerna i grunda akviferer som används för bevattning, lokalbefolkningen vänder sig till djupare vatten för att dricka. Pumpar från djupare, trycksatta akviferer kan få arsenikhaltig lera att kompaktera och släppa ut föroreningar i akvifären, höja arsenik i dricksvatten till farliga nivåer. Dessa akviferer innehåller vatten som är tusentals år gammalt, och de fylls inte snabbt på, säger Smith.

Smith och Majumdar utökar sin metod för att uppskatta andra hydrologiska förhållanden, såsom efterfrågan på grundvatten i akviferer med hög användning, inklusive High Plains Aquifer i Kansas, Basin and Range Aquifers i Arizona och Mississippi River Alluvial Aquifer i södra USA. Resultaten kan påverka grundvattenhanteringen runt om i världen och i Missouri.

"Den våta regionen i sydöstra Missouri har hög efterfrågan på grundvatten för grödor, "Säger Smith. "Tjänstemän i Mississippis alluviallätta kunde använda det vi har lärt oss för att planera för grundvattenbehov. Vi vill arbeta med jordbrukssamhället för en win-win."

Smith och Majumdar har skrivit en artikel om forskningen. Deras resultat publiceras i Vattenresursforskning , en publikation från American Geophysical Union (AGU).