美国宇航局正在从太空观察加州地下水危机

在加利福尼亚州的圣华金谷，图莱里盆地周围的土地有着独特的起伏。这些奇怪的凹陷的罪魁祸首不是困扰西海岸的地震。它们来自人工凿井，用于开采该地区的地下水——该地区土壤中的水。

圣华金谷是美国农业产量最高的地区之一，为美国提供了近一半的粮食。图莱里盆地是中央谷含水层系统的一个历史性分水岭，其大部分水源来自附近山脉的融雪径流，还有一些来自其他渡槽和运河。整个含水层系统为大约 650 万居民提供饮用水。但由于加州频发的干旱、缺水和野火风险增加，人类已经将地下水资源推向了极限。

事实上，我们已经从图莱里含水层抽取了太多的水，以至于加州的地下水都快要枯竭了。虽然当地长期以来一直在努力解决图莱里盆地水量减少的问题，但政府机构也在采取创造性的解决方案。最近，美国宇航局的一个水文学家团队提供了一个新的有利位置来监测和指导地下水管理：轨道卫星。这项研究于 3 月 9 日发表在《科学报告》杂志上。

地下水盆地通常占据土壤和岩石颗粒之间的空间，可用于在干旱情况下支持当地水库供应。这项研究的第二作者、美国宇航局喷气推进实验室的水资源研究员 Kyra Kim 说，这种地下水是一种“储蓄账户”，我们依赖它来满足各种城市和农业需求。
“由于图莱里盆地支持着如此蓬勃发展的农业产业，其缺点之一就是需要大量的水来维持，”她说。

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由于这些农业实践和其他人类活动过度消耗了土地系统，地球表层逐渐下沉。这一问题被称为地面沉降，可能是由于地球上的自然资源（如盐、石油，或者在这种情况下是水）在地下移动而发生的。虽然地面沉降并不奇怪，但社区和 NASA 的科学家们对中央谷地在干旱期间下沉速度之快感到震惊。这导致图莱里盆地以每年约一英尺的速度下沉。

沉降还会对地球表面造成结构性破坏，包括我们在地表上建造的东西。“我们正在破坏道路、桥梁、管道等民用基础设施，我们看到地表每年下沉一英尺，”金说，并补充道，“你有时会永久失去储水空间，所以这几乎就像你正在减少储蓄账户的总限额。”

沉降还会对地球表面造成结构性破坏，包括我们在地表上建造的东西。“我们正在破坏道路、桥梁、管道等民用基础设施，我们看到地表每年下沉一英尺，”金说，并补充道，“你有时会永久失去储水空间，所以这几乎就像你正在减少储蓄账户的总限额。”

亚利桑那大学水文学教授托马斯·梅克斯纳解释说，雨季过后，地下水位可以恢复。他将地球比作一块海绵，当人们“挤”水时，它会收缩，而当水被吸收时，它会膨胀起来。然而，梅克斯纳说，社区和工业“抽水的速度比补给或补充的速度要快”。

梅克斯纳表示，科学家们还没有明确的水资源储备基线，这给衡量这种宝贵资源在一段时间内的使用量又增加了一个障碍。“更准确地估计地下水量的实际变化确实可以帮助我们更好地管理这些地下水盆地，”他说。

美国宇航局此前曾使用卫星数据帮助中央谷评估水位和过度抽取地下水的影响。现在，金的团队提供了新的见解。他们创建了一个模型来研究图莱里盆地两个下沉土壤层的月变化。他们利用了两颗卫星——重力恢复和气候实验（Grace）和 Grace Follow-On ——的水分流失数据。他们还将这些数据与 ESA Sentinel-1 的地面变化数据相结合，Sentinel-1 是由两颗卫星组成的星座，可以对地球表面高度进行连续雷达测绘。

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“地下水枯竭和地面沉降之间的关系在时间和空间上并不是线性的，”金说。这意味着这些下降和上升并不总是与预期的原因一致。根据这项研究，虽然大雨会补充含水层的水位，但不会使土地上升，有时反而会使土地下沉。

她解释说，这些短期变化可以帮助科学家了解当地社区和农民需要做什么，以便在更符合当地和立法管理的时间表上更好地分配水资源。

传统上，卫星更容易监测和观察蜿蜒的河流和湖泊，而不是地下水的变化。但 Grace 卫星利用重力来测量地球表面下有多少水。该团队的研究结果表明，这些地形变化归因于含水层的体积变化，而不是可能影响水位的强降雨等事件。

在研究的下一步中，Kim 希望将这些新数据与 NASA-ISRO SAR 任务 (Nisar) 结合起来，以创建一个更好的加州其他地区乃至全球自然资源模型。Nisar 计划于 2023 年发射，是美国宇航局和印度空间研究组织共同努力的结果，这是一个国际合作伙伴关系，将有助于扩大环境数据的范围。这项为期三年的任务将测量地球不断变化的生态系统和冰块，并为科学家提供有关自然灾害、海平面上升和地下水的详细信息。

“总体而言，与水有关的文化正在发生变化，”金说。“我们确实看到人们开始更多地亲自管理水资源，这是一个非常积极的变化。”