Met behulp van een ongekend aantal satellietradarbeelden, geofysici van Caltech hebben gevolgd hoe de grond in Zuid-Californië stijgt en daalt terwijl grondwater in en uit watervoerende lagen onder het oppervlak wordt gepompt.

Hun bevindingen worden gepresenteerd in een onderzoek dat de vervorming van het aardoppervlak over een periode van 18 jaar volgt. Het werk kan door waterbeheerdistricten worden gebruikt om de precieze vorm en grootte van aquifers en de impact van het watergebruik in de regio op die aquifers te beoordelen. Het werk onthult ook wat een voorheen niet in kaart gebrachte fout zou kunnen zijn die door het noordoosten van Orange County loopt.

"Wat we zien door het stijgen en dalen van het grondoppervlak is de elastische reactie van het land op regelmatige veranderingen in het grondwaterpeil, " zegt hoofdauteur Bryan Riel (MS '14, doctoraat '17), die ten tijde van het onderzoek een afgestudeerde student was in het lab van Caltech's Mark Simons, en is nu een signaalanalyse-ingenieur bij JPL, die wordt beheerd door Caltech voor NASA. "Omdat we gegevens over een lange periode hebben, we waren ook in staat om langdurige oppervlaktevervormingssignalen te isoleren, inclusief bodemdaling die lijkt te worden veroorzaakt door verdichting van kleilagen als reactie op achtergrondvariaties in grondwateronttrekking." Riel en Simons konden ook scherpe kenmerken zien waar geen water stroomde, die zowel grenzen van watervoerende lagen als fouten kan aangeven.

De studie, die op 30 april online werd gepubliceerd door het tijdschrift Onderzoek naar waterbronnen , maakt gebruik van openbaar beschikbare radargegevens die tussen 1992 en 2011 zijn vastgelegd door satellieten van het European Space Agency. De satellietgegevens werden gecompileerd in 881 radarinterferogrammen - beelden gemaakt door radarsignalen vanaf het aardoppervlak te laten stuiteren - om bijna verticale grondbewegingen tot op de millimeter te volgen met een horizontale resolutie van tientallen meters, over een gebied dat zich uitstrekt van San Fernando, ten noordwesten van het centrum van Los Angeles, naar Irvine, in Oranjegraafschap.

Als alle afbeeldingen aan elkaar zijn genaaid, ze tonen de grond onder Zuid-Californië die jaarlijks stijgt en daalt, als een reus die in- en uitademt. De resultaten werden gecontroleerd aan de hand van GPS-metingen van het Orange County Water District (OCWD) en het Water Replenishment District van Zuid-Californië, die de bevindingen bevestigden. Het periodiek rijzen en dalen van de grond vertelt het verhaal van het beheer van de watervoerende lagen in Zuid-Californië en hoe dat beheer in de loop van de tijd is veranderd, zegt Simons, de John W. en Herberta M. Miles hoogleraar Geofysica aan Caltech en JPL hoofdwetenschapper.

"Aan het begin van de studieperiode we zien grote sinusoïden - hogere hoogtepunten en lagere dieptepunten. Tegen de tweede helft van de studie, dat valt een beetje tegen, wat aangeeft dat waterbeheerdistricten actiever watervoerende lagen beheren, en ervoor te zorgen dat je er water in doet in plaats van het er gewoon uit te halen, ' zegt Simons.

Roy Herndon, hoofd hydrogeoloog voor de OCWD, zegt dat zijn team eraan werkt om ervoor te zorgen dat de grond nooit te ver wegzakt - een ontwikkeling waarvan hij misschien nooit meer zal herstellen.

"We vermoeden dat de geologie van ons bekken het mogelijk zou maken dat er verzakkingen optreden als we te veel grondwater zouden laten wegpompen, maar het nooit zouden bijvullen. We hebben klei en slib dat in de loop van de tijd kan samendrukken en verdichten, ' zegt Herndon.

Die strategie is vastgelegd in de Wet Duurzaam Grondwaterbeheer (SGMA), in 2014 ondertekend door de gouverneur van Californië, Jerry Brown, die dicteert dat grondwaterbeheerders permanente verlaging van het maaiveld moeten vermijden. Het fenomeen plaagt al generaties lang de San Joaquin Valley in Centraal-Californië. Bodemverdichting veroorzaakt door een krimpende grondwaterspiegel heeft ertoe geleid dat de grond in het gebied met maar liefst 28 voet is gedaald, volgens de United States Geological Survey (USGS). Herndon zegt dat de studie van Riel, Simons, en co-auteurs - en andere soortgelijke onderzoeken - zullen waterdistricten helpen ervoor te zorgen dat hun waterbeheerstrategieën effectief zijn in het voorkomen van dergelijke bodemverdichting in Californië.

Terwijl het rijzen en dalen van de grond te verwachten was, de radargegevens vertoonden ook enkele onverwachte kenmerken, Simons zegt, inclusief een scherpe grens aan de rand van een watervoerende laag, wat zou kunnen duiden op een begraven breuk langs de oostelijke rand van een bassin waar de Santa Ana-rivier door het Santa Ana/Garden Grove-gebied loopt. In aanvulling, de kaart onthulde een klein gebied met een abnormaal grote stijging van het grondniveau die bleek te zijn veroorzaakt door petroleumoperaties die olie naar buiten en water naar binnen pompten.

Riël, Simons, en co-auteurs vertrouwden op gegevens van ESA-satellieten. In de tussentijd, JPL, nasa, en de Indian Space Research Organization (ISRO) zijn van plan om begin 2022 een nieuwe radarsatelliet te lanceren, NISAR genaamd, die elke 12 dagen observaties vanuit twee richtingen zal leveren - wat een hogere kwaliteit, gegevens met een hogere resolutie dan voorheen beschikbaar waren.

“Met dat soort gegevens we zullen een nog duidelijker beeld kunnen schetsen dat nog meer zou kunnen onthullen over de grond onder onze voeten, ' zegt Simons.

De studie is getiteld "Het kwantificeren van grondvervorming in de kustgebieden van Los Angeles en Santa Ana als gevolg van grondwateronttrekking."