torka exponerade Kaliforniens törst efter grundvatten. Nu hoppas staten att fylla på sina akviferer

Kaliforniens centrala Dal—en av de rikaste jordbruksregionerna i världen—sjunker. Under en nyligen intensiv torka, från 2012 till 2016, sjönk delar av dalen så mycket som 60 centimeter per år. ”Det är inte som en jordbävning; det händer inte, boom”, säger Claudia Faunt, en hydrolog med den amerikanska geologiska undersökningen. Men det är ett bevis på en slow-motion katastrof, resultatet av regionens omättliga törst efter grundvatten.,

i årtionden har bönderna obevekligt pumpat grundvatten för att bevattna sina grödor, dränera tjocka, vattenbärande lera lager djupt under jord. Som leror komprimera, vägar, broar och bevattningskanaler har knäckt, orsakar omfattande och dyra skador. I 2014, när NASA-forskare flög radarutrustning över Kalifornien akvedukten, en kritisk del av vatteninfrastrukturen, fann de att en sektion hade doppat 20 centimeter över 4 månader., Sådana hängande kan lämna kanaler som bär mindre vatten-en” ultimat ironi”, säger Graham Fogg, en hydrogeolog vid University of California (Uc), Davis, eftersom de byggdes delvis för att minska efterfrågan på grundvatten. Överdriven pumpning äventyrar också vattenkvaliteten, eftersom föroreningar ackumuleras i grundvattnet och leror släpper ut arsenik. Värst av allt, den ihållande pumpning innebär att, en dag, akviferer kan ta slut på användbart vatten. ”Om du pumpar för hårt”, säger Fogg, ” du leker med eld.”

nu har Kalifornien lanserat en milstolpe för att rädda grundvattnet., I 2014, djupt i torka, passerade staten en lag för att skydda sina akviferer; sedan dess har lokala vattenförvaltare utvecklat hållbarhetsplaner för dem som anses vara de mest utsatta. Planerna för vissa särskilt hårt drabbade regioner, som just släppts för offentliga kommentarer, kräver att grundvattenunderskottet upphör, främst genom att Nederbörden tillåts fylla på akviferer, men också genom att minska efterfrågan. Staten finansierar forskare för att samla bättre data om krisen. forskare uppskattar att hälften av akvifererna i Central Valley är farligt utarmade, men de vet inte omfattningen av skadan., Under tiden arbetar geologer för att identifiera de bästa ställena att fylla på akviferer genom att översvämma gårdsfält, inklusive några med särskilt permeabel Geologi.

grundvattenvetenskap tar på sig en ny brådska eftersom Kalifornien och andra regioner runt om i världen står inför växande hot från torka—och borrar alltmer brunnar för att kompensera för saknade regn och snö. Globalt är akviferer ”mycket stressade” i 17 länder som håller en fjärdedel av världens befolkning, enligt World Resources Institute. Vatten och livsmedel för miljarder människor hotas.,

Kalifornien är en fallstudie i utmaningarna att skydda dessa resurser. Jordbruksintressen, som använder mest grundvatten, motstår ofta begränsande uttag, medan miljöaktivister kräver att mer vatten returneras till floder och Sacramento-San Joaquin delta.den första rättegången som utmanar Kaliforniens hållbarhetsplaner lämnades in förra månaden. Efterfrågan på grundvatten växer där gårdarna har expanderat till områden med lite ytvatten. Över hela staten gör klimatförändringarna nederbörd mindre tillförlitliga., ”En massa människor söker sig till Kalifornien för att se hur lagen spelar, säger Ellen Hanak av Public Policy Institute i Kalifornien (PPIC). Hoppet, tillägger hon, är ” det finns bara så mycket lokal innovation i Kalifornien att det kan vara en modell för folk någon annanstans.”

Kalifornien fungerade en gång som en global modell för en annan typ av innovation: massiva vattenprojekt. Los Angeles och andra städer clamored för mer vatten än de kunde få lokalt., San Joaquindalen i södra centrala dalen, statens största och mest lukrativa jordbrukszon, hade bördig jord och gott om solsken, men aldrig tillräckligt med vatten. Bönderna var tvungna att göra med vilken natur som tillhandahölls—och vad de kunde pumpa från marken.

på 1930-talet började den federala regeringen bygga ett nätverk av dammar, rörledningar och kanaler som flyttade vatten från statens våtare norrut till gårdar i sin semiarid söderut. Lokala projekt skickade vatten till stadscentrum. Med kranarna påslagna blomstrade Kaliforniens gårdar och städer.,

men det importerade vattnet avlastade inte trycket på grundvattnet länge. Tack vare landsbygdens elektrifiering kunde fler jordbrukare pumpa så mycket som de ville ha. Det fanns inga regler, inga gränser. Och pumpar har blivit allt kraftfullare, med bästa förmåga att susa upp till 5000 liter per minut från akviferer. Nu, i ett vått år, kommer cirka 40% av det vatten som används i staten ut ur marken; under en torka sväller andelen till 60%. I vissa jordbruksområden är beroendet ännu större under torra år (Se karta).,

Priserna av grundvattenuttag är ohållbar i många delar av staten, säger Jay Famiglietti, en hydrologist vid Universitetet i Saskatchewan. Under våta år sjunker tillräckligt med vatten från regn och forsande strömmar i marken för att delvis fylla på akviferer, säger han, men nivåerna kan falla ännu lägre under nästa torka. ”Det är som en tennisboll som studsar nerför trappan, Det går bara i en riktning”, säger Famiglietti.,

trenden blev särskilt oroande under torkan 2012-16. I San Joaquin-dalen sänkte djupa bevattningsbrunnar grundvattennivåerna-redan 250 meter under ytan på platser-att sätta det utom räckhåll för grundare brunnar som gav tusentals människor dricksvatten. På andra håll fruktade miljögrupper att fjädrar, strömmar och floder skulle gå torra när grundvattennivåerna föll.

som svar lade statslagstiftarna fram förslag för att reglera uttag av grundvatten. Räkningarna motsatte sig starkt av jordbruksgrupper, som oroade sig för sjunkande markvärden., Men push fick fart från nya satellit Radarbilder som dramatiskt skildrade Statens sättningsproblem. ”Bilderna uppmärksammade verkligen ett system som är ur balans”, säger Rosemary Knight, en geofysiker vid Stanford University.

lagstiftare var också oroade av bilder av vattenförlust (ovan) från NASA: s Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), som undersöker yta och grundvatten genom att mäta hur dess massa bogserbåtar på ett par satelliter., GRACE mätningar, i kombination med andra data, indikerade att i 2010 Central Valley aquifers höll 20 kubikkilometer mindre vatten än de hade i 2003.

lagen om hållbar Grundvattenförvaltning, som blev lag i September 2014, var ”ett otroligt steg” för en stat som länge hade motstått grundvattenreglering, säger Famiglietti. Men det kräver bara Kaliforniens några 260 grundvattenhållbarhetsbyråer (nya organisationer som inrättats enligt lagen, som ofta består av lokala vattendistrikt) för att stabilisera, inte öka grundvattennivåerna., Och det tillåter ökad pumpning om det behövs under torka, så länge inga större problem resulterar. Ändå har lagen tvingat en statewide ompröva grundvattenpolitiken. I januari var de nya byråerna i 21 bassänger som bedömdes kritiskt Övertrasserade tvungna att lägga fram planer för att uppnå grundvattenhållbarhet inom 20 år. (Andra byråer måste lämna in sina planer senast 2022.)

pushen för att utveckla planerna har på platser avslöjat en häpnadsväckande brist på data., Många distrikt är till exempel inte säkra på hur mycket vatten som tas bort från marken eftersom Kalifornien inte kräver att alla pumpar har mätare. (Lokala regler eller domstolsbeslut kräver mätning i vissa bassänger för att lösa tvister.) I avsaknad av hårda data har forskare i åratal uppskattat flöden genom att undersöka elposter-grundvattenpumpar är energihogar-och genom att kartlägga omfattningen och typerna av bevattnade grödor. Information om sättningar är också till hjälp. ”Det är ganska fantastiskt”, säger hydrogeologen Andrew Fisher från UC Santa Cruz., ”Vi är i stånd att nu inte veta vad mycket av de stora grundvattenflödena är eller hur de varierar.”

det är inte lätt eller snabbt att minska trycket på grundvattnet. En uppenbar taktik är att minska efterfrågan. Vissa delar av Kalifornien har minskat sitt beroende av grundvatten genom att stimulera effektivitet och införa krav som vattenbesparande duschmunstycken och toaletter. Plantering vatteneffektiva grödor hjälper-druvor och unga mandelträd använder mycket mindre vatten än alfalfa, till exempel. Så lämnar fält falla, en strategi jordbrukare har använt för att klara av tidigare torka.,

men för vissa delar av Kalifornien, sådana åtgärder är inte praktiskt, delvis på grund av en massiv expansion av lönsamma vingårdar och fruktträdgårdar—träd mutter areal ensam ökade 85% mellan 2008 och 2018. Lundar och vingårdar kan inte falla som andra fält, även om de kan överleva med mindre vatten än normalt. Och bönder är ovilliga att slita ut dem, eftersom de är dyra att plantera, kan ta år att mogna och har relativt långa livslängd.,

ändå säger forskare att det verkligen skyddar grundvattnet i Kalifornien kommer att kräva nedskärningar inom jordbruket, vilket i genomsnitt utgör cirka 80% av kommersiell och bostadsförbrukning., För att stabilisera grundvattnet i San Joaquindalen kommer jordbrukarna sannolikt att behöva minska bevattnad odlingsmark med mer än 200 000 hektar, eller 10%, enligt EN 2019-rapport från PPIC. Inte överraskande oroar sådana utsikter bönder över hela staten, säger Chris Scheuring, en vattenadvokat med California Farm Bureau Federation. ”Vi hoppas absolut på mildrade resultat som får oss till hållbar förvaltning utan att orsaka mycket smärta.”

för att sakta ner utarmningen med mindre smärta räknar några distrikt med beprövade metoder för laddning av akviferer., I årtionden har vissa vattendistrikt fyllt dedikerade dammar i våta år så att vattnet perkolerar i marken. Andra översvämning gård fält när vattnet är rikligt. Vingårdar kan tolerera vårens översvämning, och vissa grödor, som alfalfa, gör bra med översvämningsbevattning. Bygga kulvertar och berms att flytta och hålla vattnet kan dock vara dyrt. I stadsområden, där mark är knappa eller de övre lagren av sediment eller berg är inte mycket genomsläppliga, pumpar tjänstemän vatten i marken istället för att ta bort det.,

för att utöka sådana metoder har forskare letat efter områden som är mogna för laddning, baserat på faktorer som jordtyp, markanvändning och vattengeologi. Ett UC Davis-team identifierade 1,5 miljoner lovande hektar genom att granska befintliga data, rapporterade de i Kalifornien jordbruk i 2015. Några av de bästa ställena är dalar, nu begravda, som en gång fanns i den centrala dalen och fylldes med grova sediment under den senaste istiden. Dessa söta fläckar kan kunna dränera 60 gånger så mycket vatten som genomsnittliga platser, säger Fogg., Forskare har upptäckt bara tre av dessa begravda dalar, men Fogg säger att många andra måste existera med tanke på regionens geologiska historia.

Knight använder geofysiska tekniker för att hitta sådana lovande laddningsområden. Ett helikoptermonterat instrument skickar elektromagnetiska signaler i marken och mäter de elektriska egenskaperna hos begravda sediment för att skapa 3D-kartor över geologiska formationer som är så mycket som 300 meter djupa. Därefter kan mindre enheter bogseras genom fält eller fruktträdgårdar för bilder med högre upplösning., Kartorna kan hjälpa chefer att identifiera områden där vatten snabbt kommer att suga in-undvika motsvarande som kan leda till grödsjukdomar eller undergräva träd.

kartorna visar också var vatten är mest sannolikt att nå djupa lager där pumpning orsakar sättningar. ”Graden av komplexitet som vi fångar är fantastisk”, säger Knight. Kaliforniens vattenresurser byrå nyligen åtagit sig $ 12 miljoner att använda helikoptermonterade systemet i grundvattenbassänger i hela staten.

återställandet av grundvattnet kan bli ännu viktigare på grund av klimatförändringarna., Staten har länge förlitat sig på riklig bergsnö för att ge en pålitlig, året runt källa till ytvatten. Dess många reservoarer var utformade för att fylla med snösmältning i juli och släpp sedan vattnet för att tillgodose toppbehovet under den varma sommaren. Men på grund av en uppvärmningstrend blir den årliga snowpack redan tunnare och smälter tidigare. Och klimatforskare förutspår mer och mer nederbörd i Kalifornien kommer att falla som regn, snarare än som snö i bergen., Allt det betyder att reservoarer kommer att fylla tidigare och vatten måste släppas tidigare på våren innan det behövs. På sommaren skulle jordbrukarna sannolikt behöva förlita sig ännu mer på grundvattnet.

för att anpassa sig till den framtiden funderar tjänstemännen på ett nytt arrangemang där dammoperatörer skulle släppa ut vatten före regnstormar. Det skulle göra plats för stormvattnet, och utsläpp skulle tillåta nedströms platser att lägga mer i marken. Tanken låter enkel, men innebär betydande förändringar i Regler, operationer och i vissa fall infrastruktur, säger Fogg., Flera pilotprojekt pågår fortfarande. I den amerikanska floden watershed, en flood Control agency vill eftermontera några övre reservoarer. Om strategin genomförs där och i en intilliggande Sierra Nevada avrinningsområde, Fogg och kollegor uppskattar ungefär en tredjedel av en kubikkilometer vatten skulle kunna lagras under jord varje år. Det är 10% till 25% av det årliga statsunderskottet, säger Fogg.,

ladda vatten som kommer från bergsreservoarer har ofta hög kvalitet., Men en annan källa, dagvatten avrinning från urbana eller hanterade landskap, kan utgöra ett problem: att förhindra föroreningar—inklusive jordbruksgödselmedel-från att sippra in i grundvattnet. Fisher har studerat sätt att avlägsna vissa föroreningar genom att tillsätta biomatter som trä mulch och mandelskal till jorden vid laddningsplatser. Hans team har funnit att materialen kan främja tillväxten av mikrober som tar bort nitrat, en vanlig förorening., ”Om vi kommer att sätta hundratusentals eller miljontals tunnland vatten i marken varje år, bör vi ta varje tillfälle att göra det vatten renare på vägen in,” Fisher säger.

laddning är inte hela lösningen. I San Joaquin Valley, forskare uppskattar laddning ensam kan eliminera, i bästa fall, bara 25% av grundvattenunderskottet-delvis eftersom det finns så lite ytvatten till att börja med i regionen., Så kommer eventuella ytterligare besparingar sannolikt att komma från minskad pumpning, med sina politiska utmaningar, samt att flytta vatten till de mest produktiva odlingsmarkerna samtidigt som andra lämnas okultiverade. Det kommer att kräva nya kanaler och annan infrastruktur, och en ny samordningsnivå. Över hela staten kommer flera statliga och privata enheter att behöva arbeta tillsammans för att hantera utbud och efterfrågan på omfattningen av hela bassänger, för att minimera de ekonomiska kostnaderna för att använda mindre vatten., ”Det måste finnas politisk innovation eller finansiell innovation för att få människor att flytta bort från denna myt att vi fortfarande har ett obegränsat grundvattenförsörjning och att vi bara aldrig kommer att slå botten”, säger Famiglietti.

Bridget Scanlon, en hydrolog vid University of Texas, Austin, är optimistisk om att innovation kommer att ske. ”Kalifornien har möjligheter att gå mot mer hållbar förvaltning, och jag tror att de är”, säger hon. Fogg är också hoppfull, men lägger till en försiktig anteckning. ”Civilisationen har aldrig varit mycket framgångsrik när det gäller att kontrollera efterfrågan på vatten”, konstaterar han.,

lyckligtvis har Kaliforniens senaste vintrar gett tillräckligt med nederbörd för att aquifers ska kunna återhämta sig lite. Staten kanske inte får reda på om den lärde sig lärdomarna av den sista torkan till nästa.