Подводные ресурсы США: Новая карта подземных вод

Определить количество воды на суше — задача не из легких. Лишь 1% пресной воды на Земле находится на поверхности, где ее можно легко увидеть и измерить. В то время как под землей масштабы различаются в зависимости от глубины водоносного горизонта и пористости грунта, которые мы не можем напрямую оценить.

Рид Максвелл, гидролог из Принстонского университета, считает, что осадки, снег и поверхностные воды — это «расчетный счет» для краткосрочных нужд в водоснабжении, тогда как подземные воды — «сберегательный счет», на котором более значительная сумма должна аккумулироваться со временем.

«Мы действуем в ситуации, когда не знаем, сколько средств поступает на сберегательный счет каждый месяц, и не знаем, сколько у нас на нем денег», — говорит он.

Тем не менее, новая карта подземных вод от Максвелла и его коллег представляет собой самую высококачественную оценку запасов подземной воды в континентальной части США — около 306 500 кубических километров. Это 13 раз больше объема всех Великих озер вместе взятых и почти в 7 раз больше того, что все реки Земли сбрасывают за год.

Эта оценка была получена с разрешением в 30 метров и охватывает все подземные воды на глубину до 392 метров, что является максимальной глубиной, для которой существуют надежные данные о пористости. Ранее подобные оценки колебались от 159 000 до 570 000 кубических километров.

«Это определенно шаг вперед по сравнению с некоторыми предыдущими попытками составить карты», — отмечает Грант Фергюсон, гидрогеолог из Университета Саскачевана, который не участвовал в исследовании. «Они работают с гораздо более высоким разрешением, чем в прошлом, и применяют интересные методы».

Исследование подземных вод

В предыдущих оценках количества подземных вод в основном использовались данные по наблюдениям за колодцами. «Это действительно странная вещь в отношении подземных вод», — говорит Лаура Кондон, гидролог из Университета Аризоны и соавтор статьи. «У нас есть ограниченные данные о том, какую глубину достигает уровень водоносного горизонта, но это всего лишь отдельные точки, в то время как уровень может сильно варьироваться на небольших расстояниях».

Исследователи использовали эти данные, а также знания о физике потока воды под землей, чтобы моделировать уровень водоносного горизонта с разрешением около 1 километра. Также были использованы спутниковые данные для выявления общих тенденций в движении воды.

Чтобы продемонстрировать ценность данных высокого разрешения, команда показала, что произошло, когда они уменьшили разрешение своей карты с 30 метров до 100 километров — пространственное разрешение многих глобальных гидрологических моделей. Результирующая пикселизированная карта оценивает количество воды немного выше 252 000 кубических километров, что на 18% меньше, чем новая карта.

Карта не только выявляет количество подземных вод с высоким разрешением, но и предоставляет более детальную информацию о известных источниках подземных вод. Например, она показывает, что около 40% территории континентальной части США имеют уровень водоносного горизонта, менее 10 метров. «Этот диапазон является тем, где могут происходить взаимодействия между подземными водами, растениями и поверхностью земли», — объясняет Кондон.

Технологии для улучшения анализа

Для создания новой карты использовались прямые измерения из колодцев и спутниковые данные — около миллиона измерений, проведенных с 1895 по 2023 год, вместе с картами осадков, температуры, гидравлической проводимости, текстуры почвы и расстояний до водоемов. Затем ученые применили методы машинного обучения для анализа этих данных.

По словам Максвелла, подход с использованием машинного обучения позволяло быстро обрабатывать такое огромное количество данных, но его неожиданным преимуществом стала «предвзятость». Ранее оценки подземных вод были относительно простыми и не учитывали гидрогеологию или то, что люди сами откачивают воду из земли. Подход с машинным обучением смог учесть эту информацию, поскольку в данных, использованных для обучения, содержались свидетельства откачки воды.

«Когда вы слышите о предвзятости в машинном обучении, это обычно имеет негативный оттенок. Но когда вы не можете отделить сигнал откачки подземных вод и истощения от почти миллиона наблюдений, использованных для обучения, модель обеспечивает учение этой предвзятости», — говорит он.

Максвелл и другие исследователи надеются, что карта станет ресурсом для органов управления водными ресурсами, а также для фермеров, принимающих решения по орошению. Кондон выражает надежду, что это повысит осведомленность о подземных водах в целом.

«Подземные воды есть буквально всюду и всегда», — говорит она. Карта «заполнена везде, где бы вы ни находились. В некоторых местах они находятся на глубине 300 метров, в других — на глубине 1 метра. Но где бы вы ни стояли, если вы копнете вниз, вы найдете воду».

— Эмили Гарднер