地下水是加利福尼亞中央谷地的用水者的重要資源，加利福尼亞中部谷是一個(gè)主要的農(nóng)業(yè)樞紐，每年的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出達(dá)數(shù)百億美元。中央山谷的地表變形長(zhǎng)期以來(lái)一直與地下水儲(chǔ)量的變化有關(guān)，但由于缺乏可靠的數(shù)據(jù)，人們對(duì)地表以下水流的時(shí)機(jī)和運(yùn)動(dòng)知之甚少。

現(xiàn)在，加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋學(xué)研究所和全球政策與戰(zhàn)略學(xué)院以及地質(zhì)調(diào)查局的科學(xué)家們首次使用先進(jìn)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)來(lái)繪制流經(jīng)該地區(qū)的地下水流的“脈動(dòng)”。圣華金山谷，中央山谷的南部。

在4月7日發(fā)表在《水資源研究》上的一項(xiàng)新研究中，跨學(xué)科研究人員描述了遙感技術(shù)的最新進(jìn)展如何實(shí)現(xiàn)了對(duì)圣華金河谷地表變形和地下水資源相關(guān)變化的詳細(xì)測(cè)繪。

這項(xiàng)研究是第一個(gè)研究該地區(qū)地下水補(bǔ)給的地點(diǎn)和時(shí)間的過(guò)程。在這一過(guò)程中，地表水向下穿過(guò)土壤和淺層巖石，最后被添加到稱(chēng)為蓄水層的地下倉(cāng)庫(kù)中。由于蓄水量的增加，隨著含水層的膨脹，這種補(bǔ)給導(dǎo)致地表上升。

隨著加利福尼亞州實(shí)施《可持續(xù)地下水管理法案》以更好地了解和保護(hù)其地下水資源，這些發(fā)現(xiàn)特別及時(shí)。

“研究地下水運(yùn)動(dòng)就像一個(gè)黑匣子，我們正試圖獲取有關(guān)地下水的狀況的任何信息，”博士韋斯利·尼利(Wesley Neely)說(shuō)。Scripps海洋學(xué)的候選人和該研究的主要作者。“我們?cè)谶@項(xiàng)研究中正在尋找的數(shù)據(jù)集正在幫助我們填補(bǔ)一些空白，現(xiàn)在我們能夠在與政策相關(guān)的尺度上繪制出流經(jīng)中央谷地的地下水特征。”

根據(jù)衛(wèi)星觀測(cè)，隨著一年中地下水位的增加和減少，中央山谷中的地球表面高度會(huì)變化正負(fù)2.75英寸。在干旱期間，該地區(qū)的地面每年可能下沉達(dá)13.7英寸。

使用來(lái)自Sentinel-1任務(wù)的基于衛(wèi)星的InSAR(干涉式合成孔徑雷達(dá))和連續(xù)的全球定位系統(tǒng)(cGPS)數(shù)據(jù)進(jìn)行了新穎的觀測(cè)。研究人員使用衛(wèi)星對(duì)地表運(yùn)動(dòng)的觀察來(lái)可視化地下水的運(yùn)動(dòng)，從而有效地繪制了重要的地球物理過(guò)程，而這在其他情況下是很難且昂貴的。

這項(xiàng)研究的共同作者之一，加州大學(xué)圣地亞哥分校斯克里普斯海洋學(xué)與海洋學(xué)院合任命的助理教授摩根·萊維說(shuō)：“這項(xiàng)研究具有重要意義，因?yàn)檫@些發(fā)現(xiàn)為我們提供了記錄和理解地表水和地下水系統(tǒng)變化的新工具。”全球政策和戰(zhàn)略。

這項(xiàng)工作是基于Levy和加州大學(xué)圣地亞哥分校的其他研究人員的最新研究得出的，他們使用基于衛(wèi)星的成像技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)中央谷地的沉降或下沉，當(dāng)從含水層中去除大量地下水時(shí)，這種沉降或下沉可能會(huì)發(fā)生。

圣華金河谷是一個(gè)沉積盆地，由礫石與粘土和淤泥層混合而成，在這種物質(zhì)的顆粒之間夾有幾袋水。當(dāng)水從系統(tǒng)中抽出時(shí)，壓力的變化會(huì)導(dǎo)致谷物彼此塌陷，這可能導(dǎo)致永久性沉降，這是該地區(qū)的主要問(wèn)題。

內(nèi)利說(shuō)：“這就像一堆紙牌倒下。” “一旦發(fā)生崩潰，再次開(kāi)放該空間可能非常困難。”

但是，通過(guò)查看2016年(干燥年份)和2017年(潮濕年份)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，Neely在圣華金河谷發(fā)現(xiàn)了一些特定區(qū)域，這些區(qū)域的地表抬升暗示了含水層補(bǔ)給的途徑-地表水何時(shí)何地進(jìn)入地下水水庫(kù)。

雷達(dá)在該區(qū)域的視野為Neely及其合作者提供了建立可以詳細(xì)研究的圖像時(shí)間序列的機(jī)會(huì)。研究人員沒(méi)有關(guān)注地下水開(kāi)采產(chǎn)生的大沉陷信號(hào)，而是調(diào)查了隱藏在時(shí)間序列中的季節(jié)性信號(hào)。季節(jié)性信號(hào)提供有關(guān)在任何給定年份中地面上的某個(gè)點(diǎn)何時(shí)和何處具有相對(duì)峰值升高的信息，該信息轉(zhuǎn)化為該點(diǎn)處的地下水峰值。

他們繪制了整個(gè)山谷的時(shí)間，他們發(fā)現(xiàn)了峰隆起與水輸入時(shí)間相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，例如內(nèi)華達(dá)山脈的河流徑流。考慮到隆升的時(shí)機(jī)以及它們與河流和溪流的距離，這表明在大量水從鄰近的內(nèi)華達(dá)山脈分水嶺流出的地方發(fā)生了含水層補(bǔ)給。

此外，他們發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離假定補(bǔ)給位置的地方，隆起的時(shí)間以可能暗示地下水流動(dòng)路徑的方式發(fā)生了變化。

尼利說(shuō)：“這就像觀察脈動(dòng)穿過(guò)含水層一樣。” “我們不僅位于發(fā)生季節(jié)性地下水補(bǔ)給的區(qū)域，而且可以估計(jì)補(bǔ)給事件的時(shí)間，地下水進(jìn)入地下后可能流入的時(shí)間以及這種響應(yīng)在干水和濕水年份如何變化。”

這項(xiàng)研究為可用于約束地下水和沉降模型的含水層系統(tǒng)提供了新穎的見(jiàn)解。

“研究中最有趣的部分只是在時(shí)空上看到了地表水網(wǎng)絡(luò)與地下水驅(qū)動(dòng)的土地表面變化之間的物理系。我們知道地表水和含水層是相互系的，但是傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源卻不允許這樣做。您可以非常清楚地觀察到這些系，”利維說(shuō)。

他們?cè)谑トA金河谷中地下水補(bǔ)給分布不均的發(fā)現(xiàn)與地下水管理機(jī)構(gòu)目前的運(yùn)作方式背道而馳。當(dāng)前的準(zhǔn)則假定每個(gè)人都獲得同等的充值量。

研究人員說(shuō)，他們的發(fā)現(xiàn)對(duì)水務(wù)機(jī)構(gòu)應(yīng)如何考慮協(xié)調(diào)其努力以達(dá)到國(guó)家設(shè)定的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)具有嚴(yán)重的意義。雖然這項(xiàng)研究基于加利福尼亞，但所概述的方法學(xué)廣泛適用于全球的區(qū)域含水層系統(tǒng)。