Onderzoekers van Stanford en de Universiteit van Calgary hebben pulsen van elektrische stroom getransformeerd die naar 1, 000 voet onder de grond in een beeld van waar zeewater zoetwateraquifers langs de kustlijn van Monterey Bay is geïnfiltreerd.

De bevindingen, die in een volgend nummer van de Tijdschrift voor Hydrologie maar zijn nu online beschikbaar, helpen verklaren factoren die dit fenomeen beheersen, binnendringen van zout water genoemd, en zou kunnen helpen bij het verbeteren van de grondwatermodellen die lokale waterbeheerders gebruiken om beslissingen te nemen over het oppompen van grondwater om aan de drink- of landbouwbehoeften te voldoen.

"De hoop is dat lokale waterbeheerders deze bevindingen kunnen gebruiken om de regio's die het meest worden getroffen door het binnendringen van zout water, waar gerichte beheerpraktijken het meest effectief kunnen worden geïmplementeerd, beter te identificeren. " zei co-auteur van de studie Meredith Goebel, een promovendus aan Stanford's School of Earth, Energie &Milieuwetenschappen.

Goebels afstudeeradviseur, Rozemarijn Ridder, is gespecialiseerd in het aanpassen van geofysische beeldvormingstools om zoetwaterbronnen te bewaken en te beheren. "Op dezelfde manier waarop medische beeldvorming een revolutie teweeg heeft gebracht in de benadering van het beheer van de menselijke gezondheid, Ik geloof dat beeldvorming van de aarde met behulp van geofysische methoden een revolutie teweeg kan brengen in de benadering van het beheer van de gezondheid van onze grondwatersystemen, " zei Ridder, wie is de George L. Harrington Professor aan Stanford.

Volgens de Verenigde Naties, meer dan de helft van de wereldbevolking woont binnen een straal van 60 kilometer van de kust, en driekwart van alle grote steden ligt in kustgebieden. Veel kustgemeenschappen zijn afhankelijk van grondwater om in hun behoefte aan drinkwater en landbouwwater te voorzien. Maar door te veel van dat grondwater te verwijderen, kan de vloeistofdruk van ondergrondse watervoerende lagen veranderen. zeewater in kustwatervoerende lagen aanzuigen en watervoorraden aantasten. Het binnendringen van zout water is vaak onomkeerbaar.

ERT

Om de omvang van het binnendringen van zout water in de regio van Monterey Bay te bepalen, het onderzoeksteam gebruikte een geofysische beeldvormingstechniek genaamd elektrische resistiviteitstomografie (ERT) om het zoutgehalte van het grondwater in kaart te brengen langs een 45 kilometer lange kustlijn van Aptos tot Monterey. ERT meet een eigenschap die elektrische weerstand wordt genoemd. Zeewater is elektrisch geleidend vanwege het hoge zoutgehalte, terwijl zoet water elektrisch resistief is.

ERT zou een goedkoper en beter alternatief kunnen bieden dan de huidige methode om de indringing van zout water te monitoren, waarbij op specifieke locaties "schildwachtputten" worden geboord. "In tegenstelling tot putten, die u slechts op één locatie informatie geven, ERT geeft je een volledige tweedimensionale plak met ruimtelijke dekking die gewoon niet mogelijk is met putten, ' zei Ridder.

Sentinel-putten zijn ook duur:vier van de putten die worden gebruikt om het binnendringen van zout water langs Monterey Bay te controleren, kostten bijna $ 1 miljoen om te boren. In tegenstelling tot, het onderzoek van het Stanford-team kostte ongeveer $ 200, 000.

ERT-onderzoeken kunnen ook op dezelfde plek worden herhaald om veranderingen in de tijd waar te nemen, zei co-auteur Adam Pidlisecky, wie is de hoofdonderzoeker bij Aranz Geo. "Kijken naar verschillen in de tijd kan vaak nuttiger zijn dan proberen een enkel beeld te begrijpen, " zei Pidlisecky, die het onderzoek uitvoerde aan de Universiteit van Calgary in Canada.

Telefoontip

voor ridder, de studie, die de langste en diepste in zijn soort is, vertegenwoordigt het hoogtepunt van een ambitieus experiment dat zes jaar geleden begon met een telefoontip. "Een hydroloog die in de omgeving van Monterey werkte, vertelde me dat er veel belangstelling was voor wat er gebeurt met het binnendringen van zout water langs de kust en suggereerde dat het een interessant project zou kunnen zijn voor mijn groep, " zei Ridder, die ook is aangesloten bij het Stanford Woods Institute for the Environment.

Toen Knight contact opnam met lokale stadsfunctionarissen om toestemming te krijgen om haar onderzoek te starten, sommigen van hen konden hun oren niet helemaal geloven. "Iemands reactie op mij was:'Ik heb net honderdduizenden dollars uitgegeven om een ​​put te boren, en je zegt me dat je dit kunt doen door langs het strand te lopen?"' zei ze.

Het verkrijgen van de vereiste vergunningen van steden en particuliere landeigenaren duurde bijna een jaar, maar in het najaar van 2014 het team was klaar om met hun onderzoek te beginnen. In de loop van ongeveer twee weken, onderzoekers van Stanford University en de University of Calgary werkten samen met ingenieurs van het ingenieursbureau WorleyParsons om een ​​lange reeks elektrische kabels langs het strand aan te leggen. De kabels werden onderbroken door stalen elektroden van 1,2 meter die in het zand waren verzonken.

Nadat een reeks elektroden was geplaatst, het team pompte kleine stroomstootjes door de verbindingsdraad. De stroom verspreidde zich onder de grond, en door de spanning tussen paren elektroden te meten, kon het team een ​​weerstandskaart van de ondergrond maken. Minder weerstand betekende dat er meer zout water onder lag. Nadat het team een ​​deel van de kustlijn had onderzocht, trokken ze de palen eruit en herhaalden ze het proces elders.

Het onderzoek hield in dat men lange uren in de zon doorbracht met het slepen van zwaar materieel en nauwgezet bijna de hele kustlijn van Monterey Bay met een mijl per keer bedekte, maar de moeite werd beloond. "Dit is de eerste regionale weergave van de ondergrond die duidelijk de impact van de geologie op de vloeistofverdeling laat zien, evenals de invloed van pompen in de buurt van de kust, Pidlisecky zei. "Tijdens het hele proces hebben we actief contact onderhouden met grondwaterbeheerders en technische professionals in de regio, evenals het grote publiek. We zijn verheugd om deze betrokkenheid verder te zetten met de publicatie en het delen van deze resultaten via een interactief 3D-webportaal."

De gegevens die het team verzamelde, leverden een kleurrijke, tweedimensionale weerstandskaart van de kustlijn die complexe patronen van zoutwaterintrusie in de regio tot een diepte van 1 onthult 000 voet en benadrukt het samenspel tussen de geologie en menselijke activiteiten die de verspreiding van zoet en zout water in de regio beheersen. Bijvoorbeeld, het team ontdekte een dynamisch lichaam, of "lens, " van zoet water bij Marina gevormd door infiltratie van bovenliggende regenwaterafvoervijvers in een gebied dat anders zoutwater binnendrong. De kaart toonde ook aan dat de inspanningen van het Pajaro Water Management District om het oppompen van grondwater te verminderen door gerecycleerd water aan irrigators te leveren, werkten zoals gepland .

Keith van der Maaten, algemeen directeur van het Marina Coast Water District, zei dat de nieuwe bevindingen zouden kunnen helpen bij het opvullen van tal van hiaten in hun gegevens over grondwatervoorraden. "De huidige kartering van het zoetwater-zoutwater-interface in onze regio heeft veel problemen en is misleidend, "Zei Van Der Maaten. "De ERT-gegevens zullen ons helpen een completer beeld te krijgen, zodat we verder kunnen gaan met onze watervoorzieningsplanning en inspanningen voor het verduurzamen van het grondwater."

Vervolgonderzoek in de lucht

Aangezien elektrische weerstand een eigenschap is die in alle materialen aanwezig is, ERT kan toepassingen hebben die verder gaan dan waterbeheer. "Elke keer dat wat je probeert af te beelden in de ondergrond een andere soortelijke weerstand heeft dan het materiaal eromheen, je zou deze methode moeten kunnen gebruiken, ' zei Goebel.

Knight is nog niet klaar met de regio Monterey Bay, echter. Haar team werkt samen met het Marine Coast Water District om een ​​vervolgonderzoek met een helikopter vanuit de lucht uit te voeren, waarbij een andere geofysische techniek wordt gebruikt om de elektrische weerstand van de ondergrond in het binnenland van de regio in kaart te brengen.

"In plaats van slechts één plak, het luchtonderzoek zal ons honderden plakjes opleveren en ons in staat stellen een driedimensionaal beeld te maken van de ondergrondse zoetwaterdistributie, ' zei Goebel.