Этот метод, подробно описанный в июньском выпуске журнала Water Resources Research, может привести к созданию более совершенных моделей потока грунтовых вод. «Это может быть особенно полезно в сельскохозяйственных регионах, где перекачка грунтовых вод является обычным явлением, а истощение водоносных горизонтов вызывает озабоченность», — сказала соавтор исследования Розмари Найт, профессор геофизики в Стэнфордской школе Земли, Энергетика. Науки об окружающей среде.Найт и ее коллеги недавно применили алгоритм для определения уровней грунтовых вод во всем сельскохозяйственном бассейне долины Сан-Луис в Колорадо. В качестве отправной точки алгоритм использует данные, полученные с помощью спутниковой технологии, называемой интерферометрическим радаром с синтезированной апертурой, или InSAR, для расчета изменения уровня подземных вод в долине Сан-Луис в период с 1992 по 2000 год.
Спутники InSAR используют электромагнитные волны для отслеживания крошечных, сантиметровых изменений высоты поверхности Земли. Программа была первоначально разработана НАСА в 1980-х годах для сбора данных о вулканах, землетрясениях и оползнях, но Найт и ее коллега Говард Зебкер, профессор геофизики и электротехники в Стэнфорде, в последние годы адаптировали технологию для мониторинга подземных вод.Ученые из Стэнфорда во главе с бывшим докторантом Джессикой Ривз ранее показали, что изменения высоты поверхности могут быть связаны с колебаниями уровня грунтовых вод. Однако они смогли сделать это только для относительно небольшой площади, потому что им пришлось вручную идентифицировать и анализировать высококачественные пиксели на спутниковых изображениях InSAR, не покрытые посевами или другими элементами поверхности, которые могли скрыть измерения высоты.
Новый алгоритм, разработанный Jingyi «Ann» Chen, научным сотрудником из Стэнфордского университета в группе Найта, автоматизирует этот трудоемкий процесс выбора пикселей. «В этом новом исследовании мы продемонстрировали методологию, которая позволяет нам находить высококачественные пиксели InSAR во многих других местах по всей долине Сан-Луис», — сказал Чен, первый автор нового исследования.Алгоритм Чена также идет дальше, заполняя или интерполируя уровни грунтовых вод в промежутках между пикселями, где нет высококачественных данных InSAR.
Интерполяция — это форма усреднения, но для нее требуются высококачественные данные InSAR из мест, расположенных рядом с мониторинговыми скважинами, где уровни грунтовых вод уже известны, чтобы калибровать связь между данными InSAR и уровнями грунтовых вод. В предыдущей работе под руководством Ривза только три мониторинговые скважины были «совмещены» с высококачественными пикселями InSAR. По новому алгоритму это число увеличилось до 16.
В результате команда смогла рассчитать деформации поверхности — и, соответственно, уровни грунтовых вод — для всего сельскохозяйственного бассейна долины Сан-Луис, площадью около 4000 квадратных метров, или примерно в пять раз больше, чем площадь, для которой уровни грунтовых вод были рассчитаны в предыдущем исследовании. Более того, члены команды смогли показать, как уровни грунтовых вод в бассейне менялись с течением времени с 2007 по 2011 годы — годы, когда были доступны данные InSAR, которые можно было проанализировать с помощью алгоритма.«Джессика показала, что в деформации, полученной с помощью InSAR, есть полезная информация, и Энн сделала метод извлечения этой информации надежным и практичным», — сказал Зебкер.
Наличие непрерывной карты деформации в долине Сан-Луис привело к тому, что команда обнаружила, что существует задержка между моментом, когда грунтовые воды откачиваются из водоносного горизонта, и тем, когда грунт опускается или опускается в ответ на удаление воды. Эти временные задержки могут быть полезными индикаторами геологических свойств водоносного горизонта, сказал Найт.
«В песчаном водоносном горизонте нет временной задержки между откачкой воды и деформацией поверхности земли», — сказал Найт. «Однако, если глина присутствует, она займет гораздо больше времени, чтобы деформироваться в ответ на накачку, поэтому будет обнаруживаемая задержка по времени».Следующим шагом, по словам Зебкера, будет получение информации об уровнях грунтовых вод и характеристиках водоносных горизонтов, полученной со спутников InSAR, и объединение ее с данными из других источников для разработки улучшенных моделей потока грунтовых вод.
«Цель состоит в том, чтобы учесть весь водный бюджет», — сказал Зебкер. «Это означает учет пополнения запасов воды, например осадков, и источников сброса, таких как испарение и сток».