科学家绘制了加州中央山谷地下水流动的“脉冲”图

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地下水是加州中央谷地用水用户的重要资源。中央谷地是一个重要的农业中心，每年的经济产出达数百亿美元。长期以来，人们一直认为中央谷地的地表变形与地下水储量的变化有关，但由于缺乏可靠的数据，人们对地表下水流的时间和运动知之甚少。

现在，加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所和全球政策与战略学院的科学家们，以及美国地质调查局的科学家们，第一次利用先进的卫星数据，绘制了中央山谷南部圣华金山谷地下水流动的“脉冲”。

在一个新的研究四月七日出版于水资源研究，跨学科的研究人员描述了遥感技术的最新进展如何使圣华金河谷地表变形和地下水资源相关变化的详细测绘成为可能。

这项研究是第一次观察该地区地下水在何时何地被补充的过程，在这个过程中，地表水通过土壤和浅层岩石向下流动，最终被添加到地下储存层中。这种补给导致地表上升，因为蓄水层由于储存水的体积增加而膨胀。

这些发现尤其及时，因为加州正在实施可持续地下水管理法更好地了解和保护其地下水资源。

该研究的主要作者、斯克里普斯海洋学的博士候选人韦斯利·尼利说:“研究地下水的运动就像一个黑匣子，我们试图获得有关地表下水发生了什么的任何信息。”“我们在这项研究中看到的数据集正在帮助我们填补一些空白，现在我们能够在政策相关的尺度上绘制流经中央山谷的地下水流量特征。”

根据卫星观测，随着地下水位全年的增减，中央谷地的地表高度会发生正负2.75英寸的变化。在干旱期间，该地区的地面每年可下沉13.7英寸。

这些新颖的观测是使用来自Sentinel-1任务的基于卫星的InSAR(干涉合成孔径雷达)和连续全球定位系统(cGPS)数据进行的。研究人员利用卫星对地球表面运动的观测，将水在地下的运动可视化，有效地绘制出一个重要的地球物理过程，否则观测起来困难且昂贵。

“这项研究意义重大，因为研究结果为我们提供了一种新的工具来记录和理解相连的地表和地下水系统的变化，”研究合著者摩根·利维说，他是加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学和全球政策与战略学院联合任命的助理教授。

这项工作建立在最近的研究利维和其他加州大学圣地亚哥分校的研究人员使用卫星成像来监测中央山谷的下沉或下沉，当大量地下水从含水层中被移除时，就会发生这种情况。

圣华金河谷是一个沉积盆地，由砾石与粘土和淤泥层混合而成，在这种物质的颗粒之间隐藏着水袋。随着水从系统中抽出，由此产生的压力变化可能导致颗粒相互坍塌，这可能导致永久下沉，这是该地区的一个主要问题。

尼利说:“这有点像纸牌屋倒塌了。”“一旦发生崩溃，就很难再打开这个空间。”

然而，通过观察2016年(干旱年)和2017年(湿润年)的卫星数据，尼利发现圣华金河谷的一些特定区域，地表隆起暗示了含水层补给的路径——地表水何时何地进入地下水水库。

雷达对该区域的观测为尼利和合作者提供了建立时间序列图像的机会，这些图像可以进行详细研究。研究人员并没有关注地下水开采产生的巨大下沉信号，而是研究了隐藏在时间序列中的季节性信号。季节性信号提供了有关地面上某个点在任何给定年份中何时何地出现相对峰值隆起的信息，这就转化为该点的地下水位峰值。

通过绘制整个山谷的时间图，他们发现了一些地区，在这些地区，峰值隆起与水的输入时间相对应，比如来自内华达山脉的河流径流。考虑到隆起的时间和它们靠近河流和小溪，这表明含水层的补给发生在大量的水从邻近的内华达山脉流域流出的地方。

此外，他们发现，远离假定补给的位置，隆起的时间变化可能暗示了地下水流动的路径。

尼利说:“这就像观察一个脉冲穿过含水层。”“我们不仅定位了季节性地下水补给发生的地区，而且我们可以估计补给事件的时间，地下水进入地下后可能会在哪里流动，以及这种响应在干旱和潮湿的年份是如何变化的。”

这项研究为含水层系统提供了新的见解，可用于约束地下水和沉降模型。

“这项研究最有趣的部分是在空间和时间上看到地表水网络和地下水驱动的地表变化之间的物理联系。我们知道地表水和含水层是相连的，但传统的数据来源不允许你如此清楚地观察这些联系，”Levy说。

他们发现圣华金河谷地下水补给分布不均匀，这与地下水管理机构目前的运作方式相矛盾。目前的指南假设每个人都有等量的充值。

研究人员说，他们的发现对水务机构应该如何考虑协调他们的努力以实现国家设定的可持续发展目标具有重要意义。虽然这项研究是在加利福尼亚州进行的，但所概述的方法广泛适用于世界各地的区域含水层系统。

除了尼利和列维，研究报告的共同作者还有斯克里普斯海洋学的阿德里安·博尔萨，全球政策与战略学院的詹妮弗·伯尼，斯克里普斯海洋学和德国地球科学研究中心的弗朗西斯卡·西尔维利，以及美国地质调查局的米歇尔·斯尼德。

这项研究由NASA拨款NNX16AR07G (NISAR任务科学团队)和拨款80NSSC18K1422 (NASA地球与空间科学奖学金)资助。