科學家們發明了一種有望改善地下水管理的新方法，而這對乾旱地區的生活和農業都至關重要。這種方法可以分辨出有多少地下水的流失來自於封閉在粘土中的含水層–這些含水層可能被抽乾以至於無法恢復，又有多少來自於沒有封閉在含水層中的土壤–這些土壤可以通過幾年的正常降雨得到補充。

為此，研究小組研究了加州的圖萊里盆地，該盆地屬於中央谷的一部分。研究小組發現，區分這些地下水源的關鍵跟這個大量灌溉的農業地區的地面水平下沉和上升的模式有關。

雖然中央谷地只占到了美國農田的1%，但它每年種植的水果、蔬菜和堅果占全國餐桌的40%，這著實令人驚嘆。之所以能有這樣的生產力是因為農民通過大量抽取地下水來增加山谷5至10英寸（12至25厘米）的年降雨量。在乾旱年份，80%以上的灌溉水來自地下。

經過幾十年的抽水，地下水資源在不斷減少。圖萊里盆地的水井現在必須鑽到3500英尺（超過1000米）深才能找到足夠的水。雖然沒有辦法準確測量地下還有多少水，但管理人員需要最明智地利用所有的水。這涉及到監測水是來自含水層還是來自被稱為地下水位的鬆散土壤。在這個擁有數以萬計未安裝水錶的水井的大區域，唯一切實可行的方法是使用衛星數據來做到這一點。

來自NASA南加州噴氣推進實驗室和美國能源部北加州勞倫斯伯克利實驗室的一個研究小組著手創建了一種能夠實現這一目標的方法。他們通過將美國-歐洲重力恢復與氣候實驗(GRACE)和GRACE後續衛星的失水數據跟歐航局哨兵一號衛星的地面變化數據相結合來解決這個問題。因為當地面上的水被抽乾時，這個地區的地平面變化通常與水的流失有關，並且它最終會坍塌在一起並沉入原來有水的空間–這個過程稱為沈降。

據悉，圖萊里盆地正在急劇下沉。目前的速度是每年下沉約一英尺（0.3米）。但從一個月到下一個月，地面可能下降、上升或保持不變。更重要的是，這些變化並不總是與預期的原因相一致。比如在一場大雨之後，水位上升。似乎很明顯，這也會導致地面上升，但有時反而下沉。

研究人員認為這些神秘的短期變化可能是確定抽水來源的關鍵。“主要問題是，我們如何解釋在這些較短的時間尺度上發生的變化。它只是一個小插曲，還是有非常重要的意義？”Kyra Kim說道。他是JPL的博士後研究員，也是該論文的共同作者。

粘土與沙子

Kim和她的同事認為這些變化跟盆地中不同種類的土壤有關。含水層被堅硬、不透水的粘土層所限制，而無限制的土壤則比較鬆散。當水從含水層中被抽出時，粘土需要一段時間來壓縮以應對從上面壓下來的陸地的重量。另一方面，非承壓土壤在應對雨水或抽水時上升或下降得更快。

研究人員為圖萊里盆地的這兩層土壤建立了一個簡單的數值模型。通過從地面變化數據中去除長期的沉降趨勢，他們得到了一個只有月間變化的數據集。他們的模型顯示，在這個時間尺度上，幾乎所有的地面變化都可以用含水層的變化來解釋，而不是地下水位的變化。

比如在春天，中央谷地的降雨量很少，所以水位通常下沉。但內華達山脈的積雪所產生的徑流正在對含水層進行補給，這就導致地下水位上升。當降雨導致地下水位上升時，如果含水層因在前一個旱季被抽水而同時被壓縮，那麼地下水位將下降。該模型正確地再現了2016-17年冬季的大雨等天氣事件的影響。另外，它還匹配了來自水井和GPS的少量可用數據。

Kim指出，這個新模型可以被重新利用以展示其他需要更好地監測地下水使用的農業地區。計劃於2023年發射的NASA-ISRO合成孔徑雷達(NISAR)任務將以比哨兵一號更高的分辨率測量地面的變化。研究人員將能在這個模型中把NISAR的數據集跟GRACE Follow-On的數據結合起來，從而使全球的農業受益。