Un correctif pour l'influence de l'enneigement sur les lectures des eaux souterraines

Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que le poids de la neige et de la glace dans les montagnes voisines pourrait perturber les évaluations des eaux souterraines liées aux changements d'altitude dans la vallée centrale de Californie, mais ils ne disposaient pas d'un moyen de quantifier l'effet. Une nouvelle étude démontre une solution.

Des milliards de tonnes de neige empilées au sommet des montagnes de la Sierra Nevada peuvent faire couler des parties de la vallée centrale, juste à l'ouest de la chaîne, ce qui rend les évaluations des eaux souterraines confuses qui prennent le naufrage comme un signe d'aquifères épuisés. Une étude récente de l'Université de Stanford offre maintenant un moyen de tenir compte de cet important manteau neigeux de montagne et de mesurer plus précisément les niveaux des eaux souterraines.

Au fur et à mesure que les chutes de neige s'accumulent dans la Sierra, comme cela s'est produit de manière historique l'hiver dernier, le sol de la vallée en contrebas s'enfonce. (Crédit image : George Rose / Getty Images)

L'analyse des mesures satellitaires des changements de surface au fil du temps est apparue comme une méthode prometteuse pour surveiller les eaux souterraines dans des endroits tels que la vallée centrale riche en agriculture, où les agriculteurs dépendent fortement des eaux souterraines pour irriguer les cultures pendant les années sèches. Mais la méthode nécessite une compréhension claire des véritables mécanismes derrière tout changement d'altitude observé.

La nouvelle étude, publiée le 28 avril dans Geophysical Review Letters, montre comment la neige et la glace accumulées dans la Sierra pendant la saison des pluies en Californie dépriment le fond de la vallée, représentant la majorité des changements d'altitude détectés dans 60% de la vallée. Alors que des dizaines, voire des centaines de pieds de neige s'accumulent dans la Sierra, comme cela s'est produit de manière historique l'hiver dernier, le sol de la vallée en contrebas s'enfonce d'un dixième de pouce à un pouce.

Bien que les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que la neige et la glace dans les montagnes voisines pourraient perturber les évaluations des eaux souterraines liées aux changements d'altitude, ils ne disposaient pas d'un moyen de quantifier l'effet. "Nous avons montré pour la première fois comment démêler, découpler et finalement isoler les deux effets des changements d'altitude dus aux niveaux des eaux souterraines et à la charge de neige", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Seogi Kang, chercheur postdoctoral en géophysique à Stanford.

"Avec une meilleure compréhension de l'hydrogéophysique en jeu ici, nous pouvons aider à garantir que la productivité agricole de la vallée centrale reste durable."

- Seogi Kang

Stagiaire postdoctoral en géophysique

Ne pas tenir compte correctement de l'effet de la charge de neige pourrait conduire les gestionnaires des eaux souterraines dont les décisions sont de plus en plus éclairées par des méthodes de surveillance basées sur l'altitude à sous-estimer les niveaux d'eau réels.

"Avec les phénomènes météorologiques extrêmes d'inondations et de sécheresses de plus en plus fréquents en raison du changement climatique, associés au défi d'assurer la durabilité à long terme de nos ressources en eaux souterraines, il est essentiel que nous fournissions aux gestionnaires des eaux souterraines les technologies et les connaissances les plus récentes", a déclaré l'auteur principal de l'étude, Rosemary Knight, professeur de géophysique à la Stanford Doerr School of Sustainability. "Cette étude est un pas en avant important pour donner aux gestionnaires des eaux souterraines une nouvelle façon d'utiliser les données satellitaires pour surveiller avec précision le volume des eaux souterraines stockées dans la vallée centrale."

Pour l'étude, Kang et Knight se sont penchés sur cinq ans de données d'élévation recueillies à l'aide d'une technique connue sous le nom de radar interférométrique à synthèse d'ouverture, ou InSAR, qui fonctionne en mesurant le temps qu'il faut aux signaux radar pour rebondir vers un satellite à partir d'une série d'emplacements précis. sur le terrain à des moments différents.

Une étude de l'Université de Stanford simule 65 ans d'affaissement du sol, ou d'affaissement, causé par l'épuisement des eaux souterraines dans la vallée de San Joaquin en Californie. Les résultats suggèrent qu'un affaissement important pourrait se poursuivre pendant des siècles après l'arrêt de la baisse des niveaux d'eau, mais pourrait ralentir en quelques années si les aquifères se rétablissent.

Une étude de l'Université de Stanford suggère que le poids de la neige et de la glace au sommet de la Sierra Nevada affecte les émissions de dioxyde de carbone d'un volcan californien, l'un des principaux signes d'agitation volcanique.

Un nouvel algorithme informatique capable de "remplir" les niveaux d'eau souterraine dans les zones où des données de qualité ne sont pas disponibles pourrait conduire à des modèles améliorés d'écoulement des eaux souterraines dans les régions où le pompage et l'épuisement des aquifères sont préoccupants.

L'analyse de ces données au fil du temps peut révéler des informations sur les ressources en eau souterraine, car les couches souterraines de sédiments et d'argile agissent comme une éponge. Si le pompage des eaux souterraines pour l'irrigation et l'eau potable épuise un aquifère, c'est comme presser l'éponge : les couches se compactent et peuvent faire couler la surface du sol.

L'ensemble de données InSAR utilisé pour la nouvelle étude couvre presque tous les 18 000 miles carrés de la vallée centrale, avec des mesures prises une fois par semaine en moyenne entre 2015 et 2019. La résolution n'est pas parfaite - chaque point de données représente l'élévation sur une zone à peu près équivalente à un terrain de football - mais c'est bien mieux que les méthodes courantes de surveillance des eaux souterraines qui impliquent de forer des puits sporadiquement à travers la vaste vallée centrale et de vérifier les lectures quelques fois par an.

Kang a créé un programme d'apprentissage automatique statistique pour filtrer l'immense transport de données InSAR en grappes similaires en fonction de la variation temporelle des données. Ces données ont ensuite été comparées aux données mensuelles moyennes sur le manteau neigeux de la Sierra Nevada pour la même période. "Le tri des données comme celui-ci nous a permis d'identifier les parties de la vallée centrale où les changements d'altitude sont dominés par la charge hydrologique - ce que nous appelons l'effet du manteau neigeux - et quelles parties sont dominées par le système d'eau souterraine", a déclaré Kang.

Dans l'ensemble, en comblant les principales lacunes dans les données du régime actuel de surveillance des eaux souterraines à l'aide des données InSAR, les chercheurs de Stanford espèrent que leur approche pourra soutenir et éclairer les décisions de gestion des eaux souterraines, d'où et quand limiter le pompage jusqu'à la meilleure façon d'allouer de nouvelles infrastructures de distribution d'eau.

"Une grande partie de la nourriture que nous mangeons et apprécions provient de la vallée centrale et d'autres endroits confrontés à d'importants problèmes d'approvisionnement en eau", a déclaré Kang. "Avec une meilleure compréhension de l'hydrogéophysique en jeu ici, nous pouvons aider à garantir que la productivité agricole de la vallée centrale reste durable."

Knight est professeur George L. Harrington à Stanford et chercheur principal au Stanford Woods Institute for the Environment.

La recherche a été financée en partie par la Fondation Gordon et Betty Moore et le Programme des ressources en eau des sciences appliquées de la NASA de la Division des sciences de la Terre.

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Seogi Kang, Stanford Doerr School of Sustainability : [email protected]

Rosemary Knight, Stanford Doerr School of Sustainability : [email protected]

Josie Garthwaite, Stanford Doerr School of Sustainability : (650) 497-0947, [email protected]

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