W kalifornijskiej dolinie San Joaquin Valley dochodzi do poważnego osiadania gruntu w wyniku nadmiernego poboru wód gruntowych, powodując rozległe szkody i straty gospodarcze.
Badanie Stanforda przeprowadzone w latach 2006–2022 wykazało, że średnie tempo osiadania wynosi prawie cal rocznie. Badanie sugeruje wykorzystanie zasilania warstw wodonośnych zarządzanych przez powodzie, aby rozwiązać ten problem w sposób zrównoważony poprzez uzupełnianie warstw wodonośnych i zapobieganie dalszemu zapadaniu się gruntu.
Osiadanie w Heartland w Kalifornii
Nowe badanie pokazuje, że w ciągu ostatnich dwudziestu lat dolina San Joaquin w Kalifornii tonęła w niespotykanym dotąd tempie z powodu nadmiernego poboru wód gruntowych przewyższającego naturalne zasilanie.
Badanie wykazało, że w latach 2006–2022 dolina opadała średnio o prawie cal rocznie. Chociaż naukowcy i zarządcy gospodarki wodnej od dawna wiedzieli o tym zjawisku, zwanym „osiadaniem”, jego pełny wpływ pozostawał niejasny, ponieważ całkowity zasięg zatonięcia nie zostało zmierzone.
Ta luka w wiedzy wynikała częściowo z braku spójnych danych. Satelitarne systemy radarowe, które są niezbędne do dokładnego śledzenia zmian wysokości terenu, nie monitorowały w sposób ciągły doliny San Joaquin w latach 2011–2015. Badacze ze Stanford uzupełnili obecnie te brakujące dane, szacując, jak bardzo ląd opadł w tym okresie.
„Nasze badanie stanowi pierwszą próbę ilościowego określenia pełnego zakresu osiadań w skali doliny w ciągu ostatnich dwóch dekad” – stwierdziła starsza autorka badania Rosemary Knight, profesor geofizyki na Uniwersytecie Szkoła Zrównoważonego Rozwoju Stanford Doerr. „Dzięki tym odkryciom możemy spojrzeć na szerszy obraz możliwości złagodzenia tego rekordowego osiadania”.
Nowe badanie, opublikowane dzisiaj (19 listopada) w Komunikacja Ziemia i środowiskozawiera pomysły na powstrzymanie tonięcia poprzez strategiczne regionalne uzupełnianie wody i inne podejścia do zarządzania.
Cena osiadania
Gwałtowne i nierówne spadki wysokości terenu zmusiły do wielomilionowych napraw kanałów i akweduktów, które transportują krytyczną wodę przez dolinę San Joaquin do głównych miast południowej Kalifornii. Niszcząc lokalne studnie i rowy irygacyjne, osiadanie gleby pogłębia również problemy z zaopatrzeniem w wodę jednego z najbardziej produktywnych rolniczo regionów na świecie.
„Rachunki za naprawę głównych akweduktów, takich jak Kanał Friant-Kern i Akwedukt Kalifornijski, są wyjątkowo wysokie” – powiedział główny autor Matthew Lees, PhD ’23, pracownik naukowy na Uniwersytecie w Manchesterze, który pracował nad badaniem jako doktorant w geofizyki na Uniwersytecie Stanforda. „Ale osiadanie ma także inne skutki. W jakim stopniu zeszłoroczna powódź pogorszyła się w wyniku osiadania? Ile rolnicy wydają na ponowne wyrównanie gruntów? Wiele kosztów osiadania nie jest dobrze znanych”.
Kontekst historyczny i współczesne wyzwania
Osiadanie następuje w wyniku usuwania wody z naturalnych zbiorników zwanych warstwami wodonośnymi, gdzie woda jest magazynowana w podziemnych osadach, takich jak piasek, żwir i glina. Podobnie jak gąbka, osady są pełne porów. W miarę opróżniania tych przestrzeni osady zagęszczają się – w niektórych przypadkach trwale, zmieniając przyszłą zdolność przenoszenia wody – i powodują obniżenie poziomu gruntu.
W dolinie San Joaquin, która biegnie od wschodu obszaru Zatoki San Francisco aż do gór na północ od Los Angeles, dynamicznie rozwijający się rolnictwo i wzrost populacji spowodowały agresywne pompowanie wód gruntowych w latach 1925–1970. Rezultat: ponad 4000 mil kwadratowych – obszar o połowę mniejszy niż New Jersey – zatonął o ponad 12 cali, osiągając w niektórych miejscach około 30 stóp, co stanowi głęboką zmianę krajobrazu, którą Raport rządowy z 1999 r opisano jako „jedną z największych zmian powierzchni lądu przypisywanych ludzkości”.
Problem zniknął w latach 70. XX wieku po zainstalowaniu nowych akweduktów. Jednak problem powrócił na początku XXI wieku w obliczu serii susz, wzmożonego pompowania wód gruntowych, zmian w użytkowaniu gruntów i zmniejszonych dostaw z rzek Północnej Kalifornii. „Są dwie zdumiewające rzeczy w osiadaniu doliny. Po pierwsze, chodzi o skalę tego, co miało miejsce przed 1970 rokiem. Po drugie, to dzieje się ponownie dzisiaj” – powiedział Knight.
Wgląd w aktualne wskaźniki osiadania
Aby zmierzyć niedawne tempo osiadania, Lees i Knight sięgnęli po technikę znaną jako radar interferometryczny z syntetyczną aperturą (InSAR). Technika ta rejestruje zmiany wysokości na obszarach o wielkości mniej więcej boiska do piłki nożnej już kilka razy w miesiącu, wysyłając sygnały radarowe z orbity. Sygnały odbijają się od ziemi z powrotem do satelitów, a analiza odebranego sygnału ujawnia zmiany w wysokości terenu.
Zbiór danych InSAR dla doliny San Joaquin w latach 2011–2015 jest niejednolity ze względu na ograniczony zasięg satelitarny. Aby wypełnić tę lukę, Lees i Knight wykorzystali dane dotyczące wysokości z Globalnego Systemu Pozycjonowania (GPS) stacje rozproszone po całym regionie. Zidentyfikowali wzorce przestrzenne w zapisie InSAR i wykorzystali je do interpolacji wysokości na rozległych obszarach między stacjami GPS.
Zrównoważone rozwiązania na przyszłość
Dodatkowa analiza przeprowadzona przez naukowców sugeruje, że warstwy wodonośne w dolinie San Joaquin wymagają dopływu około 220 miliardów galonów wody każdego roku – w drodze procesów naturalnych lub inżynieryjnych – aby zapobiec osiadaniu w przyszłości.
To o około 7 miliardów galonów mniej niż ilość wód powierzchniowych pozostałych w dolinie San Joaquin w ciągu przeciętnego roku po zaspokojeniu wszystkich potrzeb środowiskowych. „Jestem optymistą, że możemy coś zrobić z osiadaniem gruntów” – powiedział Knight. „Moja grupa i inne osoby badają ten problem od jakiegoś czasu, a to badanie jest kluczowym elementem w ustaleniu, jak rozwiązać ten problem w sposób zrównoważony”.
Uzupełnianie warstw wodonośnych, aby zapobiec opadaniu
Pomocne może być podejście do zarządzania wodą zwane ładowaniem warstwy wodonośnej zarządzanym przez powódź (flood-MAR), które jest powszechnie stosowane w Kalifornii. Polega na skierowaniu nadmiaru wód powierzchniowych z opadów atmosferycznych i roztopów do miejsc, w których woda może wsiąkać w dół i doładowywać warstwy wodonośne.
Zalanie całej Doliny wodami powodziowymi MAR nie jest możliwe. „Powinniśmy skupić się na miejscach, w których osiadanie spowoduje największe koszty społeczne i gospodarcze” – powiedział Knight. „Przyglądamy się zatem miejscom, w których osiadanie może uszkodzić akwedukt lub studnie przydomowe w małych społecznościach”.
„Przyjmując perspektywę na skalę Doliny” – dodał Knight – „możemy zacząć szukać realnych rozwiązań”.
Referencja: 19 listopada 2024 r., Komunikacja Ziemia i środowisko.
DOI: 10.1038/s43247-024-01778-w
