Una solución para la influencia de la capa de nieve en las lecturas de agua subterránea

Los científicos han sospechado durante mucho tiempo que el peso de la nieve y el hielo en las montañas cercanas podría alterar las evaluaciones de las aguas subterráneas vinculadas a los cambios de elevación en el Valle Central de California, pero carecían de una forma de cuantificar el efecto. Un nuevo estudio demuestra una solución.

Miles de millones de toneladas de nieve acumuladas en la cima de las montañas de Sierra Nevada pueden hacer que partes del Valle Central, justo al oeste de la cordillera, se hundan, lo que confunde las evaluaciones de las aguas subterráneas que toman el hundimiento como una señal de acuíferos agotados. Un estudio reciente de la Universidad de Stanford ahora ofrece una forma de dar cuenta de esta gran capa de nieve de montaña y medir con mayor precisión los niveles de agua subterránea.

A medida que la nieve se acumula en la Sierra, como ocurrió de manera histórica el invierno pasado, hace que el suelo del valle se hunda. (Crédito de la imagen: George Rose / Getty Images)

El análisis de las medidas satelitales de los cambios en la superficie a lo largo del tiempo se ha convertido en un método prometedor para monitorear las aguas subterráneas en lugares como el Valle Central, donde los agricultores dependen en gran medida de las aguas subterráneas para regar los cultivos en los años secos. Pero el método requiere una comprensión clara de los verdaderos mecanismos detrás de cualquier cambio de elevación observado.

El nuevo estudio, publicado el 28 de abril en Geophysical Review Letters, muestra cómo la nieve y el hielo acumulados en la Sierra durante la temporada de lluvias de California deprimen el suelo del valle, lo que representa la mayor parte del cambio de elevación detectado en el 60 % del valle. A medida que decenas o incluso cientos de pies de nieve se acumulan en la Sierra, como ocurrió de manera histórica el invierno pasado, el suelo en el valle se hunde entre una décima y una pulgada.

Aunque los científicos han sospechado durante mucho tiempo que la nieve y el hielo en las montañas cercanas podrían alterar las evaluaciones de las aguas subterráneas vinculadas a los cambios de elevación, carecían de una forma de cuantificar el efecto. "Hemos demostrado por primera vez cómo desentrañar, desacoplar y, en última instancia, aislar los dos efectos de los cambios de elevación debido a los niveles de agua subterránea y la carga de nieve", dijo el autor principal del estudio, Seogi Kang, becario postdoctoral en geofísica en Stanford.

"Con una mejor comprensión de la hidrogeofísica en juego aquí, podemos ayudar a garantizar que la productividad agrícola del Valle Central siga siendo sostenible".

-Seogi Kang

Becaria Postdoctoral en Geofísica

No tener en cuenta adecuadamente el efecto de la carga de la capa de nieve podría llevar a los administradores de aguas subterráneas, cuyas decisiones se basan cada vez más en los métodos de monitoreo basados ​​en la elevación, a subestimar los niveles reales de agua.

"Con los extremos climáticos de inundaciones y sequías cada vez más comunes debido al cambio climático, junto con el desafío de garantizar la sostenibilidad a largo plazo de nuestros recursos de agua subterránea, es fundamental que proporcionemos a los administradores de aguas subterráneas las tecnologías y los conocimientos más nuevos", dijo la autora principal del estudio, Rosemary Knight, profesora de geofísica en la Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr. "Este estudio es un importante paso adelante para brindarles a los administradores de aguas subterráneas una nueva forma de usar datos satelitales para monitorear con precisión el volumen de agua subterránea almacenada en el Valle Central".

Para el estudio, Kang y Knight estudiaron minuciosamente más de cinco años de datos de elevación recopilados mediante una técnica conocida como radar interferométrico de apertura sintética, o InSAR, que funciona midiendo cuánto tardan las señales de radar en rebotar en un satélite desde una serie de ubicaciones precisas. en el suelo en diferentes momentos.

Un estudio de la Universidad de Stanford simula 65 años de hundimiento de la tierra causado por el agotamiento de las aguas subterráneas en el Valle de San Joaquín de California. Los resultados sugieren que un hundimiento significativo puede continuar durante siglos después de que los niveles de agua dejen de disminuir, pero podría disminuir en unos pocos años si los acuíferos se recuperan.

Un estudio de la Universidad de Stanford sugiere que el peso de la nieve y el hielo en la cima de Sierra Nevada afecta las emisiones de dióxido de carbono de un volcán de California, uno de los principales signos de agitación volcánica.

Un nuevo algoritmo informático que puede "rellenar" los niveles de agua subterránea en áreas donde los datos de calidad no están disponibles podría conducir a modelos mejorados de flujo de agua subterránea en regiones donde el bombeo y el agotamiento de los acuíferos son una preocupación.

El análisis de estos datos a lo largo del tiempo puede revelar información sobre los recursos hídricos subterráneos porque las capas subterráneas de sedimentos y arcilla actúan como una esponja. Si el bombeo de agua subterránea para riego y agua potable agota un acuífero, es como exprimir una esponja: las capas se compactan y pueden hacer que la superficie del suelo se hunda.

El conjunto de datos InSAR utilizado para el nuevo estudio abarca casi todas las 18,000 millas cuadradas del Valle Central, con mediciones tomadas una vez por semana en promedio entre 2015 y 2019. La resolución no es perfecta: cada punto de datos representa la elevación en un área aproximadamente equivalente a un campo de fútbol, ​​pero es mucho mejor que los métodos comunes de monitoreo de aguas subterráneas que implican perforar pozos esporádicamente en todo el vasto Valle Central y verificar las lecturas varias veces al año.

Kang creó un programa de aprendizaje automático estadístico para tamizar la inmensa cantidad de datos de InSAR en grupos similares en función de la variación temporal de los datos. Luego, estos datos se compararon con los datos promedio mensuales de la capa de nieve de Sierra Nevada para el mismo período de tiempo. "Ordenar los datos de esta manera nos permitió identificar las partes del Valle Central donde los cambios de elevación están dominados por la carga hidrológica, lo que llamamos el efecto de la capa de nieve, y qué partes están dominadas por el sistema de agua subterránea", dijo Kang.

En general, al llenar los principales vacíos de datos en el régimen actual de monitoreo de aguas subterráneas utilizando datos InSAR, los investigadores de Stanford esperan que su enfoque pueda respaldar e informar las decisiones de gestión de aguas subterráneas, desde dónde y cuándo limitar el bombeo hasta la mejor manera de asignar nueva infraestructura de suministro de agua.

"Gran parte de los alimentos que comemos y disfrutamos provienen del Valle Central y otros lugares que enfrentan importantes desafíos de suministro de agua", dijo Kang. "Con una mejor comprensión de la hidrogeofísica en juego aquí, podemos ayudar a garantizar que la productividad agrícola del Valle Central siga siendo sostenible".

Knight es profesor de la cátedra George L. Harrington en Stanford y miembro principal del Instituto Stanford Woods para el Medio Ambiente.

La investigación fue financiada en parte por la Fundación Gordon y Betty Moore y el Programa de Recursos Hídricos de Ciencias Aplicadas de la NASA en la División de Ciencias de la Tierra.

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Seogi Kang, Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr: [email protected]

Rosemary Knight, Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr: [email protected]

Josie Garthwaite, Escuela de Sostenibilidad Stanford Doerr: (650) 497-0947, [email protected]

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