Grundvatten är en nyckelresurs för vattenanvändare i Kaliforniens Central Valley, ett stort jordbruksnav med en ekonomisk produktion på tiotals miljarder dollar årligen. Ytdeformation i Central Valley har länge varit kopplad till förändringar i grundvattenlagring, men tidpunkten och förflyttningen av vattenflödet under ytan har förståtts dåligt på grund av bristen på tillförlitliga data.

Nu, för första gången, forskare vid University of California San Diegos Scripps Institution of Oceanography och School of Global Policy and Strategy, såväl som US Geological Survey använder avancerade satellitdata för att kartlägga "pulsen" av grundvattenflödet genom San Joaquin Valley, den södra delen av Central Valley.

I en ny studie publicerad 7 april i Vattenresursforskning , de tvärvetenskapliga forskarna beskriver hur de senaste framstegen inom fjärranalys har möjliggjort en detaljerad kartläggning av ytdeformation i San Joaquin-dalen och tillhörande förändringar i grundvattenresurser.

Studien är den första som tittar på var och när grundvattnet i regionen laddas upp - en process där ytvatten rör sig nedåt genom marken och grunda stenar, så småningom läggas till underjordiska butiker som kallas akviferer. Denna uppladdning får ytan att höjas, eftersom akvifären sväller på grund av den ökade volymen lagrat vatten.

Resultaten är särskilt lägliga eftersom Kalifornien implementerar sin lag om hållbar grundvattenhantering för att bättre förstå och skydda sina grundvattenresurser.

"Att studera grundvattenrörelser är som en svart låda - vi försöker få någon form av information om vad som händer med vattnet under ytan, sa Wesley Neely, en Ph.D. kandidat vid Scripps Oceanography och huvudförfattare till studien. "Datauppsättningen vi tittar på i den här studien hjälper oss att fylla i några av luckorna, och nu kan vi kartlägga signaturen för grundvattenflödet genom Central Valley på policyrelevanta skalor."

Baserat på satellitobservationer, jordens ythöjd i Central Valley ändras med plus eller minus 2,75 tum när underjordiska vattennivåer ökar och minskar under hela året. Under torkan, marken i regionen kan sjunka med upp till 13,7 tum per år.

De nya observationerna gjordes med hjälp av satellitbaserad InSAR (interferometric synthetic aperture radar) från Sentinel-1-uppdragen och kontinuerliga Global Positioning System (cGPS) data. Forskarna använde satellitobservationer av rörelse på jordens yta för att visualisera vattnets rörelse i underytan, effektivt kartlägga en viktig geofysisk process som annars är svår och kostsam att observera.

"Denna forskning är betydelsefull eftersom resultaten ger oss ett nytt verktyg för att dokumentera och förstå förändringar i anslutna yt- och grundvattensystem, " sade studiens medförfattare Morgan Levy, en biträdande professor med en gemensam utnämning vid UC San Diegos Scripps Oceanography and School of Global Policy and Strategy.

Detta arbete bygger på en nyligen genomförd studie av Levy och andra forskare från UC San Diego som använde satellitbaserad bildbehandling för att övervaka sättningar, eller sjunka, i Central Valley, vilket kan uppstå när stora mängder grundvatten avlägsnas från akviferer.

San Joaquin Valley är en sedimentär bassäng, består av grus blandat med lager av lera och silt, med vattenfickor instoppade mellan korn av detta material. När vatten tas ut ur systemet, den resulterande tryckförändringen kan leda till att kornen kollapsar ovanpå varandra, som kan leda till permanent sättningar, ett stort bekymmer för regionen.

"Det är ungefär som ett korthus som faller, sade Neely. När en kollaps inträffar, det kan vara väldigt svårt att öppna upp det utrymmet igen."

Dock, tittar på satellitdata från 2016, ett torrt år, och 2017, ett blött år, Neely hittade några specifika regioner i San Joaquin-dalen där höjningen av ytan föreslår vägar för laddning av akviferer - var och när ytvatten kommer in i grundvattenreservoarer.

Radarns syn på regionen gav Neely och medarbetare möjlighet att bygga en tidsserie av bilder som kunde studeras i detalj. Istället för att fokusera på den stora sänkningssignalen från grundvattenutvinning, forskarna undersökte säsongssignalen som gömde sig i tidsserien. Säsongssignalen ger information om när och var en punkt på marken har en relativ topphöjning under ett givet år, vilket översätts till en högsta grundvattennivå vid den punkten.

Kartlägga denna tidpunkt över dalen, de hittade områden där topphöjningen överensstämde med tidpunkten för vattentillförseln, såsom flodavrinning från Sierra Nevada-områdena. Med tanke på tidpunkten för höjningen och deras närhet till floder och bäckar, detta antydde att akviferuppladdning skedde där stora mängder vatten strömmade ut ur närliggande Sierra Nevadas vattendelar.

Ytterligare, de upptäckte att när de flyttade bort från platsen för förmodad laddning, tidpunkten för höjningen förändras på sätt som kan föreslå vägar för grundvattenflöde.

"Det är som att observera en puls som färdas genom akvifären, ", sa Neely. "Vi har inte bara lokaliserat regioner där säsongsbunden grundvattentillförsel sker, men vi kan uppskatta tidpunkten för laddningshändelser, där grundvatten kan rinna efter att ha kommit in under ytan, och hur detta svar förändras under torra och våta vattenår."

Denna studie ger ny insikt i ett akvifersystem som kan användas för att begränsa grundvatten och sättningsmodeller.

"Den mest intressanta delen av forskningen var bara att se - i rum och tid - det fysiska sambandet mellan ytvattennätverk och grundvattendrivna markytförändringar. Vi vet att ytvatten och akviferer hänger samman, men traditionella datakällor tillåter dig inte att observera dessa kopplingar så tydligt, sa Levy.

Deras resultat av ojämn fördelning av grundvattentillförseln i San Joaquin-dalen motsäger hur grundvattenförvaltningsbyråer för närvarande fungerar. Nuvarande riktlinjer förutsätter att alla får lika mycket laddning.

Forskarna sa att deras resultat har allvarliga konsekvenser för hur vattenmyndigheter bör tänka på att samordna sina ansträngningar för att nå hållbarhetsmål som fastställts av staten. Medan denna studie var baserad i Kalifornien, de metoder som beskrivs är allmänt tillämpliga på regionala akvifärsystem över hela världen.