地下水の測定値に対する積雪の影響を修正しました

科学者たちは、近くの山々の雪と氷の重みが、カリフォルニア州セントラルバレーの標高変化に関連する地下水の評価を狂わせる可能性があると長年疑っていたが、その影響を定量化する方法がなかった。 新しい研究で解決策が示されました。

シエラネバダ山脈の頂上に積もった数十億トンの雪が、山脈のすぐ西にあるセントラル・バレーの一部を沈下させる可能性がある。沈下を帯水層の枯渇の兆候とみなしている地下水の評価は混乱している。 スタンフォード大学の最近の研究は、この大雪塊を説明し、地下水位をより正確に測定する方法を提供しています。

この冬、歴史的な現象が起きたように、シエラネバダ山脈に雪が降り積もると、その下の谷の地面が沈下します。 (画像クレジット: George Rose / Getty Images)

衛星ベースの時間の経過に伴う地表変化の測定値を分析することは、農業が豊かなセントラル・バレーなどの場所で地下水をモニタリングするための有望な方法として浮上している。セントラル・バレーでは、農民たちは乾季に作物を灌漑するために地下水に大きく依存している。 ただし、この方法では、観察される標高変化の背後にある真のメカニズムを明確に理解する必要があります。

Geophysical Review Letters に 4 月 28 日に掲載されたこの新しい研究は、カリフォルニアの雨季にシエラに積もった雪と氷がどのように谷底を押し下げ、これが谷の 60% で検出された標高変化の大部分を占めるかを示しています。 この冬、歴史的な現象が起きたように、数十フィート、さらには数百フィートの雪がシエラネバダに降り積もると、その下の谷の地面が10分の1インチから1インチほど沈下します。

科学者らは、近くの山々の雪や氷が標高の変化に関連した地下水の評価を狂わせる可能性があると長年疑っていたが、その影響を定量化する方法がなかった。 「私たちは、地下水位と積雪による標高変化の2つの影響を解きほぐし、分離し、最終的に分離する方法を初めて示しました」と、研究論文の主執筆者であり、スタンフォード大学の地球物理学博士研究員であるソギ・カン氏は述べた。

「ここで行われている水文地球物理学の理解が深まれば、セントラル・バレーの農業生産性を持続可能なものに保つことができます。」

- カン・ソギ

地球物理学博士研究員

積雪の影響を適切に考慮できなければ、地下水管理者は標高に基づいた監視方法に基づいて決定を下すことが増え、実際の水位を過小評価する可能性があります。

「気候変動の影響で洪水や干ばつといった極端な気象が一般的になっていることに加え、地下水資源の長期的な持続可能性を確保するという課題もあり、地下水管理者に最新の技術と洞察を提供することが重要です」と同氏は述べた。スタンフォード・ドーア・スクール・オブ・サステナビリティの地球物理学教授であるローズマリー・ナイトの上級著者を研究してください。 「この研究は、地下水管理者に衛星データを使用してセントラル・バレーに貯留されている地下水の量を正確に監視する新しい方法を提供する上で重要な前進です。」

この研究のために、カン氏とナイト氏は、干渉合成開口レーダー (InSAR) として知られる技術を使用して収集された標高データを 5 年以上にわたって精査しました。InSAR は、レーダー信号が一連の正確な位置から衛星に反射するまでの時間を測定することで機能します。さまざまな時間に地上で。

スタンフォード大学の研究では、カリフォルニア州サンホアキンバレーの地下水枯渇によって引き起こされる65年間にわたる地盤沈下、つまり沈下をシミュレーションしている。 この結果は、水位の低下が止まった後も大幅な沈下が何世紀にもわたって続く可能性があるが、帯水層が回復すれば数年以内に沈下が遅くなる可能性があることを示唆している。

スタンフォード大学の研究は、シエラネバダ山脈の頂上の雪と氷の重さがカリフォルニア火山の二酸化炭素排出量に影響を及ぼし、これが火山活動不安の主な兆候の一つであることを示唆している。

質の高いデータが利用できない地域の地下水位を「埋める」ことができる新しいコンピューターアルゴリズムは、揚水や帯水層の枯渇が懸念される地域の地下水の流れのモデルの改善につながる可能性がある。

これらのデータを長期にわたって分析すると、表層下の堆積物と粘土の層がスポンジのように機能するため、地下水資源に関する情報が明らかになります。 灌漑や飲料水のために汲み上げられた地下水が帯水層を枯渇させると、それはスポンジを絞り出すようなもので、層が圧縮され、地表の沈下を引き起こす可能性があります。

新しい研究に使用された InSAR データセットは、セントラル バレーの 18,000 平方マイルのほぼすべてに広がり、2015 年から 2019 年にかけて平均して週に 1 回測定されました。解像度は完璧ではありません。各データポイントは、面積にほぼ等しいエリア全体の標高を表しています。しかし、広大なセントラル・バレーに散発的に井戸を掘削し、年に数回測定値をチェックする一般的な地下水モニタリング方法よりもはるかに優れています。

Kang は、膨大な InSAR データを、データの時間変化に基づいて同様のクラスターにふるい分けるための統計的機械学習プログラムを作成しました。 これらのデータは、同じ期間の月平均シエラネバダ積雪データと並べて比較されました。 「このようにデータを分類することで、標高の変化が水文学的負荷（私たちが積雪効果と呼ぶもの）によって支配されているセントラル・バレーの部分と、地下水系によって支配されている部分を特定することができました」とカン氏は述べた。

全体として、スタンフォード大学の研究者らは、InSAR データを使用して現在の地下水モニタリング体制における主要なデータギャップを埋めることにより、自分たちのアプローチが、いつどこで揚水量を制限するかから、新しい送水インフラの最適な割り当て方法に至るまで、地下水管理の決定をサポートし、情報を提供できることを期待しています。

「私たちが食べたり楽しんだりする食べ物の多くは、セントラル・バレーや、重大な水供給問題に直面している他の場所から来ています」とカン氏は言う。 「ここで行われている水文地球物理学の理解が深まれば、セントラル・バレーの農業生産性を持続可能なものに保つことができます。」

ナイト氏はスタンフォード大学のジョージ・L・ハリントン教授であり、スタンフォード・ウッズ環境研究所の上級研究員でもある。

この研究は、ゴードン＆ベティ・ムーア財団とNASA地球科学部門の応用科学水資源プログラムから一部資金提供を受けました。

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Seogi Kang、スタンフォード・ドーア・スクール・オブ・サステナビリティ: [email protected]

ローズマリー・ナイト、スタンフォード・ドーア持続可能性大学院: [email protected]

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

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