Dolina Centralna Kalifornii dostarcza około jednej czwartej żywności uprawianej w Stanach Zjednoczonych. Znaczna część tamtejszych upraw, między innymi ryżu, drzew owocowych i orzechów, wymaga dużych ilości wody. W okresach suszy rolnictwo w większym stopniu korzysta z intensywnego pompowania wód podziemnych. Z czasem taka eksploatacja zmienia warunki panujące w warstwach wodonośnych pod dolinami San Joaquin i Sacramento. Nowe badanie, opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences, wskazuje, że podczas ostatnich susz duże części doliny Sacramento mogły ulec trwałemu zagęszczeniu. Oznacza to nieodwracalną utratę części przestrzeni, w której może być magazynowana woda gruntowa.
Co dzieje się z gruntem podczas pompowania wody
Wypompowanie wody z warstwy wodonośnej obniża ciśnienie w podziemnych przestrzeniach porowych. W pewnych warunkach osady mogą wtedy nieznacznie zmienić swoją objętość, a powierzchnia terenu zaczyna się obniżać. Proces ten nazywa się osiadaniem terenu. Nie każda taka zmiana musi być trwała. Jeśli woda powróci do warstwy wodonośnej, sprężyste przestrzenie porowe mogą częściowo odzyskać wcześniejsze położenie. Naukowcy opisują ten mechanizm jako odkształcenie porosprężyste, czyli zmianę, która w dużej mierze może się cofnąć wraz ze zmianą poziomu wody.
Problem pojawia się wtedy, gdy pompowanie jest bardzo intensywne. Osady, które przechowują wodę, mogą zostać trwale i niesprężyście ściśnięte. Wówczas zmniejsza się objętość wolnej przestrzeni w podłożu, a warstwa wodonośna traci część swojej zdolności do magazynowania wody. Skutkiem jest nie tylko trwała zmiana podziemnej struktury, lecz także widoczne obniżanie się powierzchni ziemi. Takie osiadanie może zwiększać ryzyko uszkodzeń infrastruktury, pogłębiać zagrożenie powodziowe i powodować inne konsekwencje społeczno-gospodarcze.
Dane z satelitów pokazały zmianę w 2021 roku
Zespół badawczy przeanalizował zmiany w systemie warstw wodonośnych doliny Sacramento, łącząc kilka rodzajów pomiarów. Wykorzystano satelitarne mapy ruchu powierzchni terenu, dane ze stacji GPS, zapisy poziomu wody w studniach oraz satelitarne pomiary grawitacyjne regionalnej masy wody. Analiza obejmowała okres od 2016 do 2022 roku, a więc również suszę trwającą od 2020 do 2022 roku.
- W latach 2016 do 2020 większość obserwowanych ruchów gruntu pokrywała się z sezonowymi zmianami poziomu wody i w dużej mierze była odwracalna.
- W 2021 roku duże części doliny gwałtownie przeszły do stanu, w którym dominowało nieodwracalne zagęszczanie osadów.
- W niektórych obszarach powierzchnia terenu obniżała się nawet o 50 centymetrów rocznie, podczas gdy oczekiwana odwracalna reakcja wynosiła około 2 centymetrów rocznie.
- Szacowana trwała utrata pojemności magazynowania wód gruntowych wzrosła około pięciokrotnie, do około 0,2 kilometra sześciennego rocznie w latach 2021 i 2022.
Poziom wody mógł wrócić, ale grunt już nie
Autorzy badania wiążą przyspieszone osiadanie, które rozpoczęło się w 2021 roku, przede wszystkim z niesprężystym zagęszczaniem wywołanym wydobyciem wód gruntowych. Obszary najszybciej się obniżające pokrywały się ze strefami intensywnego pompowania wskazanymi przez dane o wahaniach poziomu wody oraz mapy odkształceń porosprężystych. Szczególnie ważne było porównanie poziomu wód gruntowych z przemieszczeniami powierzchni wykrytymi przez radar satelitarny InSAR.
W tych strefach średnio powierzchnia terenu nie wracała do położenia sprzed 2021 roku, nawet gdy poziom wód gruntowych odzyskiwał wcześniejszy stan dzięki sezonowemu zasilaniu pod koniec 2021 roku. Taka rozbieżność, czyli powrót wody bez pełnego powrotu powierzchni gruntu, jest zgodna z interpretacją, że doszło do nieodwracalnego odkształcenia. Wynik nie oznacza, że cała warstwa wodonośna uległa trwałemu uszkodzeniu w jednakowym stopniu. Wskazuje natomiast, że w części systemu przekroczony został próg, po którym dalsze zmiany nie zachowywały się już jak zwykła, sezonowa reakcja na wahania poziomu wody.
Dlaczego same studnie mogą nie wystarczyć
Pomiary wykonywane w pojedynczych studniach pokazują, na jakiej głębokości znajduje się zwierciadło wód gruntowych. Nie muszą jednak ujawniać zmian naprężeń zachodzących w innych warstwach podłoża. Z tego powodu same zapisy ze studni nie pozwoliłyby wiarygodnie przewidzieć, gdzie pojawi się nieodwracalne uszkodzenie. Badanie sugeruje, że warstwa wodonośna może przekroczyć niebezpieczny próg, zanim tradycyjne obserwacje dostarczą jednoznacznego ostrzeżenia.
Uzupełnieniem pomiarów naziemnych mogą być techniki geodezyjne oparte na obserwacjach satelitarnych. Systemy GNSS, w tym stacje GPS, pozwalają śledzić położenie powierzchni, a interferometria radarowa InSAR umożliwia mapowanie jej przemieszczeń na dużym obszarze. Według opisu badania takie obserwacje zapewniają znacznie lepsze pokrycie przestrzenne, rozdzielczość rzędu dziesiątek metrów oraz dokładność milimetrową przy analizie rocznych zmian wysokości. Dzięki temu mogą wcześniej wskazywać miejsca, w których odwracalne zmiany przechodzą w trwałe zagęszczanie.
Wnioski dla ochrony doliny Sacramento
Autorzy podkreślają, że dalsze trwałe uszkodzenia systemu w dolinie Sacramento są nadal możliwe. Jednocześnie większa ilość opadów w Kalifornii daje nadzieję, że przy mniejszym zapotrzebowaniu na pompowanie i większym zasilaniu warstwa wodonośna powróciła lub wkrótce powróci do stanu, w którym dominują odkształcenia porosprężyste. Nie cofnęłoby to zagęszczenia, które już nastąpiło, ale mogłoby ograniczyć dalszą utratę pojemności magazynowania wody.
Mapy obszarów szczególnie podatnych na zagęszczanie mogą pomóc kierować projekty sztucznego zasilania do miejsc, gdzie przyniosą największy efekt ochronny, oraz ograniczać wydobycie w strefach wysokiego ryzyka. W dłuższej perspektywie wykrywanie i powstrzymywanie dalszego osiadania może zmniejszyć zagrożenie dla dróg, kanałów, wałów przeciwpowodziowych i studni, a także dla społeczności położonych na terenach narażonych na powodzie. Badanie nie przedstawia jednej metody rozwiązania problemu suszy. Pokazuje jednak, że połączenie obserwacji satelitarnych z pomiarami naziemnymi może dostarczyć wcześniejszych informacji o stanie eksploatowanych warstw wodonośnych, również w innych regionach, gdzie sieć pomiarowa jest ograniczona.
