science >> Wetenschap >  >> Natuur

Waar kunnen overstroomde velden helpen om het grondwater aan te vullen?

Heuvels en droog gras omringen landbouwgrond in Tulare County, Californië, waar extensieve landbouw gepaard gaat met weinig neerslag, warme temperaturen, een behoefte om grondwater op te pompen en een overvloed aan klei die de neiging heeft te verdichten wanneer deze droog wordt gepompt. Krediet:Serj Malomuzh / Shutterstock

In Californië, de hoeveelheid water die de aquifers verlaat onder de meest productieve landbouwregio van de staat, is veel groter dan de hoeveelheid water die weer naar binnen sijpelt. Die ongebreidelde roodstand heeft ervoor gezorgd dat land in een groot deel van de regio wegzakt als een uitgeperste spons, permanent uitputting van de grondwaterbergingscapaciteit en schade aan de infrastructuur.

De trend - en een mandaat uit 2014 voor duurzaam grondwaterbeheer in de staat - heeft de belangstelling gewekt voor het aanvullen van aquifers in Central Valley in Californië door middel van beheerde overstromingen van de grond erboven. Maar tot nu toe was er geen betrouwbare manier om te weten waar dit type remedie het meest effectief zal zijn. Nieuw onderzoek van Stanford University suggereert een manier om precies in kaart te brengen waar en hoe grondwateraanvulling moet worden gebruikt om de watervoerende lagen aan te vullen en het zinken te stoppen.

Delen van de Central Valley zonken in de eerste helft van de 20e eeuw met maar liefst 28 voet, en in de afgelopen decennia zijn sommige locaties met bijna 8 inch per jaar gedaald. Modelleren in de nieuwe studie, gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Onderzoek naar waterbronnen , geeft aan dat de grond de komende 20 jaar op sommige locaties met nog eens 13 voet of meer zal zinken, tenzij het pompen vertraagt.

Zelfs in een scenario waarin het pompen nooit de hoeveelheid water overschrijdt die in aquifers gaat, het model voorspelt een verdere daling naarmate de roodstand in het verleden hun tol eist. "Er is een vertraging in het systeem, " zei geofysicus Rosemary Knight, senior auteur van de studie en een professor aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen. "De enige manier waarop we het kunnen stoppen, is door strategisch te zijn in wat we doen met ons beschikbare oplaadwater."

Een perfecte storm

In een normaal jaar water in grachten, reservoirs en rivieren is voldoende voor de meeste irrigatie in de Central Valley, terwijl aquifers een aanvulling vormen. In de afgelopen droogtejaren echter, de oppervlaktevoorraden kwamen tekort en boeren die bijdroegen aan de landbouwindustrie van 17 miljard dollar in de regio, waren meer afhankelijk van grondwater.

"Het is een perfecte storm van een uitgebreide landbouwindustrie gecombineerd met weinig neerslag, warme temperaturen, de noodzaak om grondwater op te pompen en een overvloed aan klei die gevoelig is voor bodemdaling, " zei Knight. Klei hier die compact is als ze droog wordt gepompt, is ook vaak rijk aan arseen, die door intensief pompen kan vrijkomen in de watervoorziening. "Je hebt dus problemen met waterkwantiteit en waterkwaliteit, ' zei Ridder.

Een helikopter vliegt over landbouwgrond bij Tulare, Californië draagt ​​apparatuur om elektromagnetische signalen uit te zenden die de structuur van zand- en kleilagen onder de grond zullen helpen peilen. Krediet:Aaron Fukuda

Oplaadmethoden die nu in gebruik zijn of serieus overwogen worden in Californië, zijn onder meer het onder water zetten van velden of boomgaarden tijdens de wintermaanden of het aanleggen van het hele jaar door oplaadvijvers. "De belangrijkste vraag is waar gaat het water naartoe?" zei Ridder. "Als je het veld van een boer onder water wilt zetten, je moet er zeker van zijn dat het gaat werken."

Weten waar water ondergronds zal gaan, hangt af van het in kaart brengen van de ingewikkelde kanalen van zand en grind die dicht opeengepakte klei en slib met elkaar verweven. In Californië, die informatie komt vaak uit rapporten van booraannemers aan staatsregelgevers, die duur zijn om aan te schaffen en geen gebieden tussen of onder de geboorde putten afdekken. Als resultaat, de meest gebruikelijke aanpak van bodemdaling is reactief. "Als we proactief beheren, kunnen we onherstelbaar opslagverlies voorkomen, " zei hoofdauteur Ryan Smith, een professor aan de Missouri University of Science and Technology die het onderzoek als Ph.D. student geofysica aan Stanford.

Boven en onder de grond

De nieuwe aanpak, gebaseerd op een combinatie van twee soorten teledetectiegegevens, tegen relatief lage kosten in grote landbouwgebieden kunnen worden toegepast. Knight en Smith analyseerden de structuur van zand- en kleilagen die in een eerder onderzoek waren gemeten door elektromagnetische signalen van een helikopter uit te zenden op drie locaties in Tulare County, ongeveer 45 mijl ten zuiden van Fresno, Californië. Ze verwerkten ook gegevens van openbare satellietbeelden om te meten hoeveel de grond was gezonken.

"Ik realiseerde me dat beide datasets waren gekoppeld aan het kleigehalte, " zei Smith. "Ik dacht, als er een wiskundige manier is om deze twee te verbinden, dan kunnen we een voorspellend model van bodemdaling bouwen." De studie beschrijft een methode om bestaande wiskundige en natuurkundige algoritmen aan te passen om de twee datasets in één model te integreren.

Slechts een stukje Californië is in kaart gebracht met beide soorten teledetectiegegevens, merkte Tim Godwin op, een senior technisch geoloog bij het California Department of Water Resources, die de inspanningen van Knight heeft ondersteund om elektromagnetische onderzoeken in de lucht in de staat uit te breiden. Maar naarmate deze datasets groeien, hij zei, door ze te koppelen aan tools om zinken te voorspellen, kunnen vragen worden beantwoord over de beste manieren om duurzaamheidsdoelen te bereiken. "Grondwaterbeheerders zullen de gevoeligheid voor bodemdaling nauwkeuriger kunnen voorspellen en meer vertrouwen hebben in voorgestelde projecten, " hij zei.

Volgens Smit, de bodemdaling in de komende jaren zou zelfs ernstiger kunnen zijn dan het huidige model aangeeft als boormachines de putten in de regio verdiepen om toekomstige watertekorten op te vangen. "Er zijn nog diepere, grotendeels onaangeboorde watervoerende lagen die, indien gepompt, een dramatisch drukverlies zou hebben, " zei hij. "Dat zou ervoor zorgen dat de klei meer samendrukt dan in de delen van de watervoerende laag die tegenwoordig worden gebruikt."