Dürren ausgesetzt kalifornischen Durst nach Grundwasser. Jetzt hofft der Staat, seine Grundwasserleiter aufzufüllen

Kalifornien Central Valley—einer der reichsten landwirtschaftlichen Gebiete der Welt sinken. Während einer jüngsten intensiven Dürre von 2012 bis 2016 sanken Teile des Tals bis zu 60 Zentimeter pro Jahr. „Es ist nicht wie ein Erdbeben, es passiert nicht“, sagt Claudia Faunt, Hydrologin beim US Geological Survey. Es ist jedoch ein Beweis für eine Zeitlupenkatastrophe, die auf den unstillbaren Grundwasserdurst der Region zurückzuführen ist.,

Seit Jahrzehnten pumpen Landwirte unerbittlich Grundwasser, um ihre Ernte zu bewässern, und entleeren dicke, wasserführende Tonschichten tief unter der Erde. Während sich die Tone verdichten, sind Straßen, Brücken und Bewässerungskanäle gerissen, was zu umfangreichen und teuren Schäden geführt hat. Im Jahr 2014, als NASA-Wissenschaftler Radargeräte über das kalifornische Aquädukt flogen, ein kritisches Stück Wasserinfrastruktur, stellten sie fest, dass ein Abschnitt über 4 Monate um 20 Zentimeter gesunken war., Ein solches Durchhängen kann Kanäle mit weniger Wasser zurücklassen—eine „ultimative Ironie“, sagt Graham Fogg, Hydrogeologe an der University of California (UC), Davis, weil sie teilweise gebaut wurden, um die Nachfrage nach Grundwasser zu senken. Übermäßiges Pumpen gefährdet auch die Wasserqualität, da sich Schadstoffe im Grundwasser ansammeln und die Tone Arsen freisetzen. Am schlimmsten ist, dass durch das anhaltende Pumpen eines Tages den Grundwasserleitern das brauchbare Wasser ausgeht. „Wenn du zu hart pumpst“, sagt Fogg, “ spielst du mit Feuer.“

Jetzt hat Kalifornien eine wegweisende Anstrengung gestartet, um sein Grundwasser zu retten., Im Jahr 2014 verabschiedete der Staat tief in der Dürre ein Gesetz zum Schutz seiner Grundwasserleiter; Seitdem haben lokale Wassermanager Nachhaltigkeitspläne für diejenigen entwickelt, die als am gefährlichsten gelten. Die Pläne für einige besonders stark betroffene Regionen, die gerade für eine öffentliche Stellungnahme veröffentlicht wurden, fordern die Beendigung des Grundwasserdefizits hauptsächlich dadurch, dass Niederschlag Grundwasserleiter auffüllen kann, aber auch durch die Eindämmung der Nachfrage. Der Staat finanziert Wissenschaftler, um bessere Daten über die Krise zu sammeln; Forscher schätzen, dass im Central Valley die Hälfte der Grundwasserleiter gefährlich erschöpft ist, aber sie wissen nicht, wie groß der Schaden ist., In der Zwischenzeit arbeiten Geologen daran, die besten Orte für die Auffüllung von Grundwasserleitern durch Überschwemmungen von landwirtschaftlichen Feldern zu identifizieren, darunter auch einige mit besonders durchlässiger Geologie.

Die Grundwasserwissenschaft nimmt eine neue Dringlichkeit an, da Kalifornien und andere Regionen auf der ganzen Welt wachsenden Bedrohungen durch Dürre ausgesetzt sind—und zunehmend Brunnen bohren, um fehlenden Regen und Schnee auszugleichen. Weltweit sind Grundwasserleiter in 17 Ländern, in denen ein Viertel der Weltbevölkerung lebt, laut World Resources Institute „stark beansprucht“. Die Wasser-und Nahrungsmittelversorgung für Milliarden Menschen ist bedroht.,

Kalifornien ist eine Fallstudie über die Herausforderungen beim Schutz dieser Ressourcen. Farminteressen, die das meiste Grundwasser verwenden, widerstehen oft der Begrenzung von Entnahmen, während Umweltschützer mehr Wasser für Flüsse und das Sacramento-San Joaquin Delta fordern; Die erste Klage gegen Kaliforniens Nachhaltigkeitspläne wurde letzten Monat eingereicht. Die Nachfrage nach Grundwasser wächst dort, wo sich die Betriebe in Gebiete mit wenig Oberflächenwasser ausgeweitet haben. Im ganzen Bundesstaat macht der Klimawandel Niederschlag weniger zuverlässig., „Viele Leute schauen nach Kalifornien, um zu sehen, wie sich das Gesetz abspielt“, sagt Ellen Hanak vom Public Policy Institute of California (PPIC). Die Hoffnung, fügt sie hinzu, ist „es gibt einfach so viel lokale Innovation in Kalifornien, dass es ein Modell für Leute anderswo sein kann.“

Kalifornien diente einst als globales Modell für eine andere Art von Innovation: massive Wasserprojekte. Los Angeles und andere Städte forderten mehr Wasser, als sie vor Ort bekommen konnten., Das San Joaquin Valley im südlichen Central Valley, der größten und lukrativsten landwirtschaftlichen Zone des Staates, hatte fruchtbaren Boden und viel Sonnenschein, aber nie genug Wasser. Die Landwirte mussten sich damit auseinandersetzen, was die Natur zur Verfügung stellte—und was sie aus dem Boden pumpen konnten.

In den 1930er Jahren begann die Bundesregierung mit dem Bau eines Netzes von Dämmen, Pipelines und Kanälen, das Wasser aus dem feuchteren Norden des Staates zu Farmen in seinem semiariden Süden transportierte. Lokale Projekte schickten Wasser in die städtischen Zentren. Mit eingeschalteten Wasserhähnen blühten Kaliforniens Farmen und Städte.,

Aber das importierte Wasser entlastete das Grundwasser nicht lange. Dank der ländlichen Elektrifizierung konnten mehr Landwirte so viel pumpen, wie sie wollten. Es gab keine Vorschriften, keine Grenzen. Und Pumpen sind immer leistungsfähiger geworden, wobei die besten bis zu 5000 Liter pro Minute aus Grundwasserleitern schöpfen können. Jetzt, in einem nassen Jahr, kommen etwa 40% des im Staat verwendeten Wassers aus dem Boden; Während einer Dürre schwillt der Anteil auf 60% an. In einigen landwirtschaftlichen Gebieten ist die Abhängigkeit in trockenen Jahren noch größer (siehe Karte).,

Die Grundwassergewinnungsraten sind in vielen Teilen des Bundesstaates nicht nachhaltig, sagt Jay Famiglietti, Hydrologe an der Universität von Saskatchewan. In nassen Jahren sinkt genug Wasser aus Regen und strömenden Bächen in den Boden, um die Grundwasserleiter teilweise wieder aufzufüllen, sagt er, aber der Pegel kann während der nächsten Dürre noch niedriger fallen. „Es ist wie ein Tennisball, der die Treppe hinunterspringt, es geht nur in eine Richtung“, sagt Famiglietti.,

Der Trend wurde während der Dürre 2012-16 besonders besorgniserregend. Im San Joaquin Valley senkten tiefe Bewässerungsbrunnen den Grundwasserspiegel—stellenweise bereits 250 Meter unter der Oberfläche-und brachten ihn außer Reichweite von flacheren Brunnen, die Tausende von Menschen mit Trinkwasser versorgten. Anderswo befürchteten Umweltgruppen, dass Quellen, Bäche und Flüsse trocken laufen würden, wenn der Grundwasserspiegel sank.

Als Reaktion darauf führten die staatlichen Gesetzgeber Vorschläge zur Regulierung der Grundwasserentnahmen ein. Die Rechnungen wurden von Bauerngruppen heftig abgelehnt, die sich Sorgen über sinkende Landwerte machten., Der Vorstoß gewann jedoch an Dynamik durch neue Satellitenradarbilder, die die Absenkungsprobleme des Staates dramatisch darstellten. „Die Bilder haben wirklich auf ein System aufmerksam gemacht, das aus dem Gleichgewicht geraten ist“, sagt Rosemary Knight, Geophysikerin an der Stanford University.

Der Gesetzgeber war auch alarmiert durch Bilder von Wasserverlust (oben) aus dem Gravitationsrückgewinnungs-und Klimaexperiment der NASA (GRACE), das Oberfläche und Grundwasser untersucht, indem gemessen wird, wie seine Masse an einem Satellitenpaar zerrt., GRACE-Messungen in Kombination mit anderen Daten zeigten, dass die Grundwasserleiter im Central Valley 2010 20 Kubikkilometer weniger Wasser enthielten als 2003.

Das Sustainable Groundwater Management Act, das im September 2014 in Kraft trat, sei „ein unglaublicher Schritt“ für einen Staat, der sich lange gegen die Grundwasserregulierung gewehrt habe, sagt Famiglietti. Aber es erfordert nur Kaliforniens rund 260 Grundwasser-Nachhaltigkeitsagenturen (neue Organisationen, die nach dem Gesetz gegründet wurden und oft aus lokalen Wasserbezirken bestehen), um den Grundwasserspiegel zu stabilisieren, nicht zu erhöhen., Und es ermöglicht bei Bedarf während der Dürre ein erhöhtes Pumpen, solange keine größeren Probleme auftreten. Dennoch hat das Gesetz ein landesweites Umdenken in der Grundwasserpolitik gefordert. Im Januar mussten die neuen Agenturen in 21 Becken, die als kritisch überzogen galten, Pläne zur Erreichung der „Nachhaltigkeit“ des Grundwassers innerhalb von 20 Jahren vorlegen. (Andere Agenturen müssen ihre Pläne bis 2022 vorlegen.)

Der Vorstoß, die Pläne zu entwickeln, hat stellenweise einen erstaunlichen Mangel an Daten aufgedeckt., Viele Bezirke sind sich zum Beispiel nicht sicher, wie viel Wasser aus dem Boden entfernt wird, da in Kalifornien nicht alle Pumpen über Zähler verfügen müssen. (Lokale Regeln oder Gerichtsbeschlüsse erfordern eine Messung in einigen Becken, um Streitigkeiten beizulegen.) In Ermangelung harter Daten haben Forscher seit Jahren die Ströme geschätzt, indem sie Stromaufzeichnungen untersucht haben-Grundwasserpumpen sind Energiehunde-und indem sie Ausmaß und Arten von bewässerten Kulturen kartiert haben. Informationen zum Absinken sind ebenfalls hilfreich. „Es ist ziemlich erstaunlich“, sagt der hydrogeologe Andrew Fisher von der UC Santa Cruz., „Wir sind jetzt in der Lage, nicht zu wissen, was viele der großen Grundwasserströme sind oder wie sie variieren.“

Die Reduzierung des Drucks auf das Grundwasser ist nicht einfach oder schnell. Eine offensichtliche Taktik ist es, die Nachfrage zu reduzieren. Einige Teile Kaliforniens haben ihre Abhängigkeit vom Grundwasser verringert, indem sie die Effizienz gesteigert und Anforderungen wie wassersparende Duschköpfe und Toiletten auferlegt haben. Das Pflanzen von wassereffizienten Pflanzen hilft—Trauben und junge Mandelbäume verbrauchen zum Beispiel viel weniger Wasser als Luzerne. So wie das Verlassen von Feldern brachliegt, eine Strategie, mit der Landwirte frühere Dürren bewältigt haben.,

Aber für einige Teile Kaliforniens sind solche Maßnahmen nicht praktikabel, zum Teil aufgrund einer massiven Ausweitung profitabler Weinberge und Obstgärten—allein die Anbaufläche von Baumnüssen stieg zwischen 2008 und 2018 um 85%. Die Haine und Weinberge können nicht wie andere Felder niedergebrochen werden, obwohl sie mit weniger Wasser als normal überleben können. Und die Landwirte zögern, sie herauszureißen, weil sie teuer zu pflanzen sind, Jahre dauern können und relativ lange Lebensspannen haben.,

Dennoch sagen Forscher, dass der wahre Schutz des Grundwassers in Kalifornien Kürzungen in der Landwirtschaft erfordern wird, was im Durchschnitt etwa 80% des gewerblichen und privaten Verbrauchs ausmacht., Um das Grundwasser im San Joaquin Valley zu stabilisieren, müssen die Landwirte laut einem Bericht von PPIC aus dem Jahr 2019 wahrscheinlich bewässertes Ackerland um mehr als 200,000 Hektar oder 10% reduzieren. Es überrascht nicht, dass solche Aussichten Landwirte im ganzen Bundesstaat beunruhigen, sagt Chris Scheuring, ein Wasseranwalt bei der California Farm Bureau Federation. „Wir hoffen absolut auf milderte Ergebnisse, die uns zu einem nachhaltigen Management bringen, ohne viel Schmerz zu verursachen.“

Um die Erschöpfungsrate mit weniger Schmerzen zu verlangsamen, zählen einige Bezirke auf bewährte Methoden zum Aufladen von Grundwasserleitern., Seit Jahrzehnten füllen einige Wasserbezirke in feuchten Jahren dedizierte Teiche, so dass das Wasser in den Boden sickert. Andere überfluten Farmfelder, wenn reichlich Wasser vorhanden ist. Weinberge können Frühlingsfluten vertragen, und einige Kulturen, wie Luzerne, tun gut mit Hochwasserbewässerung. Der Bau von Durchlässen und Bermen zum Bewegen und Halten des Wassers kann jedoch teuer sein. In städtischen Gebieten, in denen Land knapp ist oder die oberen Sediment-oder Gesteinsschichten nicht sehr durchlässig sind, pumpen Beamte Wasser in den Boden, anstatt es zu entfernen.,

Um solche Praktiken zu erweitern, haben Forscher nach Gebieten gesucht, die reif für die Wiederaufladung sind, basierend auf Faktoren wie Bodentyp, Landnutzung und Grundwasserleitergeologie. Ein UC Davis-Team identifizierte 1.5 Millionen vielversprechende Hektar, indem es vorhandene Daten überprüfte, berichteten sie 2015 in der kalifornischen Landwirtschaft. Einige der besten Orte sind jetzt begrabene Täler, die einst im Mitteltal existierten und in der letzten Eiszeit mit groben Sedimenten gefüllt waren. Diese Sweet Spots können möglicherweise 60-mal so viel Wasser ablassen wie durchschnittliche Standorte, Fogg sagt., Forscher haben nur drei dieser vergrabenen Täler entdeckt, aber Fogg sagt, dass viele andere angesichts der geologischen Geschichte der Region existieren müssen.

Knight nutzt geophysikalische Techniken, um solche vielversprechenden Aufladegebiete zu finden. Ein am Hubschrauber montiertes Instrument sendet elektromagnetische Signale in den Boden und misst die elektrischen Eigenschaften von vergrabenen Sedimenten, um 3D-Karten von geologischen Formationen mit einer Tiefe von bis zu 300 Metern zu erstellen. Danach können kleinere Geräte für Bilder mit höherer Auflösung durch Felder oder Obstgärten geschleppt werden., Die Karten können Managern helfen, Bereiche zu identifizieren, in denen Wasser schnell einweichen wird—Vermeidung von Abfällen, die zu Erntekrankheiten führen oder Bäume untergraben können.

Die Karten zeigen auch, wo Wasser am wahrscheinlichsten tiefe Schichten erreicht, in denen das Pumpen zu Absenkungen führt. „Die Komplexität, die wir erfassen, ist erstaunlich“, sagt Knight. Kaliforniens Wasserressourcenagentur hat kürzlich 12 Millionen US-Dollar für die Nutzung des Hubschraubersystems in Grundwasserbecken im ganzen Bundesstaat zugesagt.

Die Wiederherstellung des Grundwassers könnte aufgrund des Klimawandels noch wichtiger werden., Der Staat ist seit langem auf reichlich Bergschnee angewiesen, um eine zuverlässige, ganzjährige Quelle für Oberflächenwasser zu bieten. Die vielen Stauseen wurden so konzipiert, dass sie sich bis Juli mit Schneeschmelze füllen und dann das Wasser abgeben, um den Spitzenbedarf während des heißen Sommers zu befriedigen. Aufgrund eines Erwärmungstrends wird die jährliche Schneedecke jedoch bereits dünner und schmilzt früher. Und Klimaforscher sagen voraus, dass immer mehr Niederschlag in Kalifornien als Regen und nicht als Schnee in den Bergen fallen wird., All das bedeutet, dass sich die Reservoirs früher füllen und das Wasser früher im Frühjahr freigesetzt werden muss, bevor es benötigt wird. Im Sommer müssten sich die Landwirte wahrscheinlich noch stärker auf das Grundwasser verlassen.

Um sich an diese Zukunft anzupassen, überlegen die Beamten eine neue Anordnung, in der Staudammbetreiber vor Regenstürmen Wasser ablassen würden. Das würde Platz für das Sturmwasser machen, und die Entladung würde es nachgelagerten Standorten ermöglichen, mehr in den Boden zu legen. Die Idee klingt einfach, beinhaltet aber erhebliche Änderungen in Vorschriften, Betrieb und in einigen Fällen Infrastruktur, Fogg sagt., Noch laufen mehrere Pilotprojekte. In der amerikanischen Wasserscheide will eine Hochwasserschutzbehörde einige obere Stauseen nachrüsten. Wenn die Strategie dort und in einem angrenzenden Einzugsgebiet der Sierra Nevada umgesetzt wird, schätzen Fogg und Kollegen, dass jedes Jahr etwa ein Drittel eines Kubikkilometers Wasser unterirdisch gespeichert werden könnte. Das sind 10% bis 25% des jährlichen landesweiten Defizits, sagt Fogg.,