Overmatig pompen van ondergrondse watervoerende lagen kan ertoe leiden dat het omliggende land zinkt en schade aan straten, bruggen en andere infrastructuur, verminderde grondwaterberging, en vervuild drinkwater, volgens onderzoekers van Missouri S&T. Ze gebruiken een vorm van kunstmatige intelligentie die bekend staat als machine learning om het zinken in kaart te brengen - bodemdaling genaamd - om waterbeleidsfunctionarissen te helpen weloverwogen beslissingen te nemen.

Dr. Ryan Smith, een assistent-professor hydrologie in de afdeling geowetenschappen en geologische en petroleumtechniek bij S&T, zegt stijgende temperaturen, veranderende neerslagpatronen en een toenemende vraag naar zoet water zorgen voor extra druk op aquifers. Frequentere en extremere droogtes en overstromingen verminderen het vermogen om water op te vangen en op te slaan. Het westen van de VS is bijzonder hard getroffen vanwege de beperkte beschikbaarheid van oppervlaktewater, snelgroeiende populaties en hoogwaardige gewassen die grote hoeveelheden water nodig hebben.

Traditionele methoden voor het meten van bodemdaling in grondwaterwinningsgebieden zijn niet alleen tijdrovend, maar ook duur en kan leiden tot fouten of hiaten, zegt Smit. Omgekeerd, machine learning kwantificeert de relatie tussen algemeen beschikbare grondwatergegevens en bodemdaling en kan worden gebruikt om toekomstige bodemdaling te voorspellen. De gegevens omvatten verdampingssnelheden van landoppervlak en planten, landgebruik en sedimentdikte.

Om hun onderzoek uit te voeren, Smith en zijn Ph.D. student, Sayantan Majumdar, verzamelde hydrologische en bodemdalingsgegevens van satellieten en GPS-stations op de grond in het westen van de VS, inclusief Californië, Arizona, en Nevada.

Californië is verantwoordelijk voor 75% van de totale bodemdaling in het westen van de VS Grondwater bevloeit miljoenen hectaren akkerland in Central Valley in Californië, een strook landbouwgrond van 450 mijl waar een derde van de groenten en fruit van het land wordt verbouwd. Het is een van de zwaarst getroffen gebieden voor bodemdaling. Het model van Smith en Majumdar schat dat het land meer dan vijf centimeter per jaar zakt over een groot gebied van de vallei, en de bodemdaling in sommige delen van de vallei is gemeten op bijna een voet per jaar.

"Dat heeft gevolgen voor de infrastructuur:huizen, bruggen en kanalen, " zegt Smith. "Kanalen kraken of werken niet goed. Californië bouwt ook hogesnelheidstreinen door de vallei, dus deze informatie zou hen kunnen helpen bij het plannen."

Het potentieel voor uitspoeling van arseen is een indirect probleem met bodemdaling, zegt Smit. Omdat pompen het waterpeil verlaagt in ondiepe watervoerende lagen die worden gebruikt voor irrigatie, de lokale bevolking wendt zich tot dieper water voor hun drinkwatervoorziening. Pompen van dieper, watervoerende lagen onder druk kunnen ervoor zorgen dat arseenhoudende klei verdicht en verontreinigingen in de watervoerende laag vrijkomen, het verhogen van arseen in drinkwater tot gevaarlijke niveaus. Die watervoerende lagen bevatten water dat duizenden jaren oud is, en ze worden niet snel aangevuld, zegt Smit.

Smith en Majumdar breiden hun methode uit om andere hydrologische omstandigheden te schatten, zoals de vraag naar grondwater in aquifers met een hoog verbruik, inclusief de High Plains Aquifer in Kansas, de Basin and Range Aquifers in Arizona en de Mississippi River Alluvial Aquifer in het zuiden van de VS. De resultaten kunnen het grondwaterbeheer over de hele wereld en in Missouri beïnvloeden.

"De natte regio van Zuidoost-Missouri heeft een grote vraag naar grondwater voor gewassen, "zegt Smith. "Ambtenaren in de alluviale vlakte van Mississippi kunnen wat we hebben geleerd gebruiken om vooruit te plannen voor grondwaterbehoeften. We willen samenwerken met de landbouwgemeenschap voor een win-winsituatie."

Smith en Majumdar hebben een paper geschreven over het onderzoek. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Onderzoek naar waterbronnen , een publicatie van de American Geophysical Union (AGU).