Как спутники показали необратимое разрушение водоносных слоёв Калифорнии

С 2020 по 2022 год Калифорния пережила один из самых засушливых периодов за всю историю наблюдений, отчасти из-за антропогенного изменения климата. И хотя засуха отступила, учёные заметили долгосрочные последствия для водоносных горизонтов штата, которые могут повлиять на их способность накапливать воду в будущем.

Новое исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, показало, что засуха и вызванная ею чрезмерная откачка грунтовых вод привели к тому, что некоторые водоносные горизонты в долине Сакраменто обрушились и получили необратимые повреждения. Авторы пишут, что это первое исследование, зафиксировавшее подобное обрушение водоносного горизонта с помощью спутниковых данных высокого разрешения, и оно служит аргументом в пользу дополнительной защиты водоносных горизонтов долины Сакраменто.

«Нас очень удивило, насколько быстро проседает часть долины Сакраменто», — сказала Стейси Ларошель, геофизик из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и ведущий автор нового исследования. «Это действительно один из первых случаев, когда мы смогли зафиксировать этот переход с такой детализацией».

«Печально, что в долине Сакраменто наблюдается усиление проседания грунта, но то, что это признаётся, документируется и изучается более подробно, — это хорошо», — отметила Клаудия Фаунт, вышедшая на пенсию гидролог Калифорнийского научного центра водных ресурсов Геологической службы США, не участвовавшая в исследовании.

Оседающая долина Сакраменто

Ларошель изначально не ставила перед собой задачу измерить влияние засухи на водоносные горизонты долины Сакраменто. Скорее, она заметила периодическую тенденцию в региональных данных Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), которые отслеживают деформацию грунта с помощью стационарных наземных приборов. Данные показывали, что водоносные горизонты истощались и вновь наполнялись с регулярной сезонной периодичностью с 2016 по 2020 год. Поразительное изменение она заметила примерно в 2021 году, когда части некоторых водоносных горизонтов внезапно просели.

Желая получить больше информации, Ларошель и её исследовательская группа обратились к данным интерферометрического радара с синтезированной апертурой (InSAR), которые отслеживают деформацию поверхности земли с течением времени с помощью радиоволн, посылаемых со спутников. Данные InSAR, данные GNSS и показания скважин мониторинга грунтовых вод демонстрировали одну и ту же картину.

Когда люди выкачивают грунтовые воды из водоносного горизонта, они удаляют воду из пространства между горными породами и отложениями. Это создаёт пустоты, и водоносный горизонт сжимается. Обычно этот процесс является эластичным: как только водоносный горизонт снова наполняется водой, промежутки между породами и отложениями расширяются, и горизонт восстанавливается.

«Происходит необратимое схлопывание порового пространства».

Но если вода удаляется слишком быстро и в слишком большом объёме, структура отложений водоносного горизонта необратимо деформируется, и он теряет способность восполняться и хранить воду в будущем. «Происходит необратимое схлопывание порового пространства», — пояснила Ларошель.

Например, когда во время засухи 2020–2022 годов воду откачивали, некоторые районы долины Сакраменто проседали со скоростью до 30 сантиметров в год, что достаточно для повреждения инфраструктуры водоносного горизонта.

Окончание засухи и обильные осадки в 2023–2025 годах не вернули повреждённые водоносные горизонты в прежнее состояние, хотя исследователи говорят, что необходимо дополнительное изучение. «Судя по предварительным наблюдениям, мы не видим значительного восстановления», — сказала Ларошель. «Мы не наблюдаем полного восстановления; мы не видим, чтобы земля поднималась обратно». Она отметила, что не ожидает, что некоторые части водоносных горизонтов когда-либо восстановятся.

В долгосрочной перспективе это означает, что водоносный горизонт не сможет хранить столько же воды для будущих поколений, что также может увеличить риск наводнений, поскольку земля не сможет поглощать такое же количество осадков.

Защита водоносных горизонтов

В 2014 году калифорнийский Закон об устойчивом управлении подземными водами (SGMA) ввёл общештатные правила, регулирующие откачку грунтовых вод. Управляющие водными ресурсами обозначили многие бассейны в долине Сан-Хоакин, прилегающей к Сакраменто, как «критически перегруженные», что изменило требования к мониторингу этих бассейнов. (Реки Сакраменто и Сан-Хоакин сложным образом взаимодействуют с водоносными горизонтами своих долин. Хотя речной сток является одним из показателей здоровья водоносного горизонта, Департамент водных ресурсов Калифорнии в основном отслеживает поток грунтовых вод из скважин).

Долина Сакраменто, дренируемая рекой Сакраменто, является самой северной частью большого водоносного горизонта Центральной долины Калифорнии. Она граничит с бассейном реки Сан-Хоакин, в котором находится множество «критически перегруженных» подбассейнов (выделены красным). Нажмите на изображение для увеличения. Фото: Департамент водных ресурсов Калифорнии.

«Возможно, нам следует изменить статус долины Сакраменто, — сказала Ларошель, — чтобы мы относились к извлечению грунтовых вод из неё так же осторожно, как в южной части долины».

Фаунт согласилась, отметив, что Департаменту водных ресурсов Калифорнии следует определить, оправданы ли изменения в классификации SGMA в районах, где учёные начинают наблюдать постоянную потерю ёмкости хранения. «Авторы правы», — сказала она.

Методы команды также предоставляют способ отслеживать воздействие откачки грунтовых вод на водоносные горизонты в режиме реального времени с помощью спутниковых данных. Такое отслеживание могло бы служить ранним предупреждением для сообществ о том, что они выкачивают слишком много грунтовых вод, прежде чем водоносному горизонту будет нанесён необратимый ущерб, считает Ларошель. Хотя это не совсем новая идея, Фаунт пояснила, что совместное использование данных InSAR, GNSS и наземных данных в рамках одного метода — это более новый подход, который помогает учёным увидеть, как различные типы данных согласуются или расходятся.

Ещё одним выводом исследования стало то, что большинство наземных данных мониторинга грунтовых вод в долине Сакраменто относятся к мелким частям водоносных горизонтов региона. По словам Фаунт, это несоответствие указывает на необходимость мониторинга всех уровней водоносного горизонта, чтобы получить трёхмерную картину того, какие слои подвергаются воздействию откачки.

Исследование также может помочь учёным лучше измерять состояние водоносных горизонтов там, где нет наземных данных мониторинга, отметила Ларошель. Калифорния обладает одной из лучших систем мониторинга грунтовых вод в мире, поэтому использование комбинации спутниковых данных и наземных измерений здесь может помочь откалибровать спутниковые измерения в других частях света, где может не быть плотной сети наземных приборов.

«В долгосрочной перспективе это мечта, — сказала Ларошель. — Иметь возможность просто использовать спутники, чтобы видеть, что происходит в системе подземных вод».

Что это значит для жителей Калифорнии

Последствия необратимого проседания грунта выходят далеко за рамки научного любопытства. Водоносные горизонты Калифорнии обеспечивают около 40% потребностей штата в воде в обычные годы, а в засушливые периоды эта доля может достигать 60% и более. Потеря ёмкости хранения означает, что во время будущих засух у фермеров и городов будет меньше резервов.

Особенно уязвимы сельские общины долины Сакраменто, которые зависят от неглубоких скважин. Когда земля оседает, скважины могут деформироваться, а уровень воды в них падает быстрее, чем ожидалось. Кроме того, проседание грунта повреждает дороги, мосты, каналы и другую инфраструктуру, ремонт которой обходится в миллионы долларов.

Специалисты по управлению водными ресурсами уже начали обсуждать, как адаптировать правила SGMA к новым данным. Некоторые предлагают ввести более строгие лимиты на откачку в северной части Центральной долины, аналогичные тем, что уже действуют в долине Сан-Хоакин. Другие выступают за ускоренное внедрение систем пополнения водоносных горизонтов, например, путём направления избыточных паводковых вод на поля в зимние месяцы.

Однако эксперты предупреждают: даже самые амбициозные меры не смогут полностью восстановить уже разрушенные поровые пространства. «Мы можем предотвратить дальнейший ущерб, но не можем отменить то, что уже произошло», — подчеркнула Фаунт.

Технологии на страже подземных вод

Опыт Калифорнии может стать моделью для других регионов мира, сталкивающихся с аналогичными проблемами. Спутниковые технологии, такие как InSAR, позволяют наблюдать за деформацией земной поверхности с точностью до миллиметров, не требуя установки дорогостоящего наземного оборудования. Это особенно ценно для развивающихся стран, где сети мониторинга грунтовых вод развиты слабо.

Учёные надеются, что в ближайшие годы комбинация спутниковых данных, машинного обучения и наземных измерений позволит создавать глобальные карты состояния водоносных горизонтов в режиме, близком к реальному времени. Такие карты помогут правительствам и местным сообществам принимать более обоснованные решения о том, сколько воды можно безопасно добывать.

«Мы находимся на пороге новой эры в гидрологии, — сказала Ларошель. — Впервые у нас есть инструменты, чтобы видеть невидимое — то, что происходит глубоко под землёй, в масштабах целых регионов и десятилетий».

Источники:

1. Larochelle, S., et al. (2025). Irreversible aquifer compaction in California’s Sacramento Valley following the 2020–2022 drought. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Ссылка на статью

2. California Department of Water Resources. (2024). Sustainable Groundwater Management Act (SGMA) Basin Prioritization. Ссылка на отчёт

3. U.S. Geological Survey California Water Science Center. (2023). Land Subsidence in California. Ссылка на ресурс

4. Eos. (2025). Satellite Data Reveal Irreversible Damage to California Aquifers. Ссылка на оригинальную статью