Ondergrondse waterwinning veroorzaakt snelle daling in Californië, blijkt uit studie

Een studie gepubliceerd op 19 november in Communications Earth and Environment toont aan dat het land in Californië’s San Joaquin Valley de afgelopen twee decennia met recordhoogte is gezakt, omdat de onttrekking van grondwater de natuurlijke aanvulling overtreft.

De onderzoekers ontdekten dat de gemiddelde zakkingssnelheid voor de gehele vallei tussen 2006 en 2022 bijna een inch per jaar bereikte. Hoewel onderzoekers en waterbeheerders al wisten dat zakkingen, technisch aangeduid als “subsidence”, de afgelopen 20 jaar plaatsvonden, was de werkelijke impact niet volledig begrepen omdat de totale zakkingen niet waren gekwantificeerd. Dit was deels te wijten aan een tekort aan gegevens. Satellietradarsystemen, die de meest nauwkeurige metingen van hoogteverschillen bieden, hebben de San Joaquin Valley tussen 2011 en 2015 niet consistent gemonitord. Onderzoekers van Stanford hebben nu geschat hoeveel het land in die vier jaar is gezakt.

“Onze studie is de eerste poging om de volledige omvang van de zakkingen in de vallei over de afgelopen twee decennia echt te kwantificeren,” zei senior auteur Rosemary Knight, professor geofysica aan de Stanford Doerr School of Sustainability. “Met deze bevindingen kunnen we kijken naar het grote geheel van het verminderen van deze recordbrekende zakkingen.”

De nieuwe studie biedt ideeën over hoe het zinken kan worden gestopt door middel van strategische regionale wateraanvulling en andere beheersstrategieën. Snelle en ongelijkmatige dalingen van de landhoogte hebben geleid tot multimiljoen dollar kostende reparaties aan kanalen en aquaducten die cruciaal water door de San Joaquin Valley naar de grote steden in Zuid-Californië vervoeren. Door schade aan lokale putten en irrigatiekanalen verergert deze zakkingen ook de problemen met de watervoorziening voor een van de meest productieve landbouwregio’s ter wereld.

“De kosten voor het repareren van grote aquaducten zoals het Friant-Kern Canal en het California Aqueduct zijn uitzonderlijk hoog,” zei hoofdauteur Matthew Lees, Ph.D., een onderzoeksassistent aan de Universiteit van Manchester die aan de studie werkte als promovendus in de geofysica aan Stanford. “Maar de zakkingen hebben ook andere effecten. Hoeveel is de overstroming van vorig jaar verergerd door zakkingen? Hoeveel geven boeren uit om hun land opnieuw op niveau te brengen? Veel van de kosten van zakkingen zijn niet goed bekend.”

Geschiedenis herhaalt zich

Subsidence vindt plaats wanneer water uit natuurlijke reservoirs, zogenaamde aquifers, wordt verwijderd, waar water wordt opgeslagen in ondergrondse sedimenten zoals zand, grind en klei. Net als een spons zijn de sedimenten vol poriën. Wanneer deze ruimtes worden geleegd, comprimeren de sedimenten—soms permanent—waardoor de toekomstige waterdoorlatendheid verandert en het grondniveau daalt. In de San Joaquin Valley, die zich uitstrekt van het oosten van de San Francisco Bay Area tot de bergen ten noorden van Los Angeles, leidde de bloeiende landbouw en de bevolkingsgroei tussen 1925 en 1970 tot agressieve onttrekking van grondwater.

Het resultaat: Meer dan 4.000 vierkante mijl—een gebied dat de helft van de grootte van New Jersey beslaat—is meer dan 12 inch gezakt, met in sommige locaties tot wel 30 voet, een ingrijpende landschapsverandering die in een rapport van de overheid uit 1999 werd beschreven als “een van de grootste veranderingen van het landoppervlak die aan de mensheid kan worden toegeschreven.” Het probleem ebbde in de jaren ’70 na de installatie van nieuwe aquaducten. Maar het kwam terug in de vroege jaren 2000 te midden van een reeks droogtes, versnelde onttrekking van grondwater, veranderingen in landgebruik en verminderde leveringen van rivieren in Noord-Californië. “Er zijn twee verbazingwekkende dingen over de zakkingen in de vallei. Ten eerste is de omvang van wat er vóór 1970 is gebeurd. En ten tweede, dat het nu weer gebeurt,” zei Knight.

Het probleem begrijpen

Om de recente zakkingssnelheid te meten, wendden Lees en Knight zich tot een techniek die bekend staat als interferometrische synthetische apertuur radar, of InSAR. Deze techniek legt hoogteveranderingen vast over gebieden ter grootte van een voetbalveld, en dat nu zo vaak als een paar keer per maand door radar signalen vanuit de ruimte te sturen. De signalen weerkaatsen van de grond terug naar de satellieten, en de analyse van het ontvangen signaal onthult veranderingen in de grondhoogte.

Het InSAR-gegevensrecord voor de San Joaquin Valley is tussen 2011 en 2015 onregelmatig, vanwege beperkte satellietdekking. Om deze kloof te vullen, gebruikten Lees en Knight hoogtedata van Global Positioning System (GPS) stations die door de regio verspreid zijn. Ze identificeerden ruimtelijke patronen in het InSAR-record en gebruikten deze om de hoogte in de uitgestrekte gebieden tussen GPS-stations te interpoleren. Aanvullende analyses van de onderzoekers suggereren dat de aquifers in de San Joaquin Valley ongeveer 220 miljard gallons water per jaar nodig hebben—door natuurlijke of geengineerde processen—om toekomstige zakkingen te voorkomen. Dit is ongeveer 7 miljard gallons minder dan de hoeveelheid oppervlaktewater die in een gemiddeld jaar in de San Joaquin Valley overblijft nadat aan alle milieu-eisen is voldaan. “Ik ben optimistisch dat we iets aan de zakkingen kunnen doen,” zei Knight. “Mijn groep en anderen bestuderen dit probleem al een tijdje, en deze studie is een sleutelstuk om te begrijpen hoe we het duurzaam kunnen aanpakken.”

Aquifers aanvullen om zinken te voorkomen

Een waterbeheerbenadering genaamd flood-managed aquifer recharge (flood-MAR), die in Californië breed wordt aangenomen, kan helpen. Het houdt in dat overtollig oppervlaktewater van neerslag en smeltwater naar locaties wordt geleid waar het water kan doordringen en aquifers kan aanvullen. Het drenken van de hele vallei via flood-MAR-water is niet haalbaar. “We moeten de plekken targeten waar zakkingen de grootste sociale en economische kosten met zich meebrengen,” zei Knight. “Dus, we kijken naar plekken waar zakkingen een aquaduct of huishoudelijke putten in kleine gemeenschappen zullen beschadigen, bijvoorbeeld.” “Door deze vallei-brede benadering te hanteren,” voegde Knight toe, “kunnen we beginnen met het vinden van haalbare oplossingen.”