科学家解开土地令人费解的下沉和上升模式 以展开对地下水流失的监测

导读：科学家们发明了一种有望改善地下水管理的新方法，而这对干旱地区的生活和农业都至关重要。

科学家们发明了一种有望改善地下水管理的新方法，而这对干旱地区的生活和农业都至关重要。这种方法可以分辨出有多少地下水的流失来自于封闭在粘土中的含水层--这些含水层可能被抽干以至于无法恢复，又有多少来自于没有封闭在含水层中的土壤--这些土壤可以通过几年的正常降雨得到补充。

为此，研究小组研究了加州的图莱里盆地，该盆地属于中央谷的一部分。研究小组发现，区分这些地下水源的关键跟这个大量灌溉的农业地区的地面水平下沉和上升的模式有关。

虽然中央谷地只占到了美国农田的1%，但它每年种植的水果、蔬菜和坚果占全国餐桌的40%，这着实令人惊叹。之所以能有这样的生产力是因为农民通过大量抽取地下水来增加山谷5至10英寸（12至25厘米）的年降雨量。在干旱年份，80%以上的灌溉水来自地下。

经过几十年的抽水，地下水资源在不断减少。图莱里盆地的水井现在必须钻到3500英尺（超过1000米）深才能找到足够的水。虽然没有办法准确测量地下还有多少水，但管理人员需要最明智地利用所有的水。这涉及到监测水是来自含水层还是来自被称为地下水位的松散土壤。在这个拥有数以万计未安装水表的水井的大区域，唯一切实可行的方法是使用卫星数据来做到这一点。

来自NASA南加州喷气推进实验室和美国能源部北加州劳伦斯伯克利实验室的一个研究小组着手创建了一种能够实现这一目标的方法。他们通过将美国-欧洲重力恢复与气候实验(GRACE)和GRACE后续卫星的失水数据跟欧航局哨兵一号卫星的地面变化数据相结合来解决这个问题。因为当地面上的水被抽干时，这个地区的地平面变化通常与水的流失有关，并且它最终会坍塌在一起并沉入原来有水的空间--这个过程称为沉降。

据悉，图莱里盆地正在急剧下沉。目前的速度是每年下沉约一英尺（0.3米）。但从一个月到下一个月，地面可能下降、上升或保持不变。更重要的是，这些变化并不总是与预期的原因相一致。比如在一场大雨之后，水位上升。似乎很明显，这也会导致地面上升，但有时反而下沉。

研究人员认为这些神秘的短期变化可能是确定抽水来源的关键。“主要问题是，我们如何解释在这些较短的时间尺度上发生的变化。它只是一个小插曲，还是有非常重要的意义？”Kyra Kim说道。他是JPL的博士后研究员，也是该论文的共同作者。

粘土与沙子

Kim和她的同事认为这些变化跟盆地中不同种类的土壤有关。含水层被坚硬、不透水的粘土层所限制，而无限制的土壤则比较松散。当水从含水层中被抽出时，粘土需要一段时间来压缩以应对从上面压下来的陆地的重量。另一方面，非承压土壤在应对雨水或抽水时上升或下降得更快。

研究人员为图莱里盆地的这两层土壤建立了一个简单的数值模型。通过从地面变化数据中去除长期的沉降趋势，他们得到了一个只有月间变化的数据集。他们的模型显示，在这个时间尺度上，几乎所有的地面变化都可以用含水层的变化来解释，而不是地下水位的变化。

比如在春天，中央谷地的降雨量很少，所以水位通常下沉。但内华达山脉的积雪所产生的径流正在对含水层进行补给，这就导致地下水位上升。当降雨导致地下水位上升时，如果含水层因在前一个旱季被抽水而同时被压缩，那么地下水位将下降。该模型正确地再现了2016-17年冬季的大雨等天气事件的影响。另外，它还匹配了来自水井和GPS的少量可用数据。

Kim指出，这个新模型可以被重新利用以展示其他需要更好地监测地下水使用的农业地区。计划于2023年发射的NASA-ISRO合成孔径雷达(NISAR)任务将以比哨兵一号更高的分辨率测量地面的变化。研究人员将能在这个模型中把NISAR的数据集跟GRACE Follow-On的数据结合起来，从而使全球的农业受益。