Скрытые сбережения планеты: ученые создали самую детальную карту подземных вод США

Определить количество воды в ландшафте совсем непросто. Всего 1% пресной воды на Земле находится на поверхности, где ее можно увидеть и измерить с относительной легкостью. Но под землей показатели сильно варьируются в зависимости от глубины залегания грунтовых вод и пористости пород, которые мы не можем увидеть напрямую.

Рид Максвелл, гидролог из Принстонского университета, любит сравнивать дожди, снег и поверхностные воды с расчетным счетом, используемым для краткосрочных потребностей в управлении водными ресурсами, а грунтовые воды — со сберегательным счетом, на котором, в идеале, со временем должна накапливаться более крупная сумма.

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

Однако новая карта грунтовых вод, созданная Максвеллом и его коллегами, предлагает самую высокоточную на сегодняшний день оценку количества подземных вод на территории смежных штатов США: около 306 500 кубических километров. Это в 13 раз превышает объем всех Великих озер вместе взятых и почти в 7 раз превышает объем воды, сбрасываемой всеми реками Земли за год. Эта оценка, выполненная с разрешением 30 метров, включает все грунтовые воды до глубины 392 метра — максимальной глубины, для которой существуют надежные данные о пористости. Предыдущие оценки, использующие аналогичные ограничения, варьировались от 159 000 до 570 000 кубических километров.

«Это, безусловно, шаг вперед по сравнению с некоторыми предыдущими попытками картирования», — сказал Грант Фергюсон, гидрогеолог из Университета Саскачевана, не принимавший участия в исследовании. — «Они работают с гораздо лучшим разрешением, чем мы имели в прошлом, и используют интересные методы».

Колодцы, колодцы, колодцы

Прошлые оценки количества грунтовых вод в значительной степени основывались на наблюдениях за колодцами.

«В этом вообще-то и заключается самая большая сложность с грунтовыми водами», — сказала Лора Кондон, гидролог из Университета Аризоны и соавтор статьи. — «У нас есть эти точечные проколы в недрах там, где есть колодец; они измеряют, насколько глубоко залегает уровень грунтовых вод, и это всё, с чем нам приходится работать».

Но не все колодцы измеряются регулярно. По понятным причинам колодцев больше в местах, где присутствует больше грунтовых вод, что делает данные о районах с меньшим количеством подземных вод более скудными. Кроме того, колодец представляет собой лишь одну точку, в то время как глубина залегания грунтовых вод может сильно варьироваться на коротких расстояниях.

Исследователи использовали эти данные, а также знания физики течения воды под землей, чтобы моделировать глубину залегания грунтовых вод с разрешением около 1 километра. Они также использовали спутниковые данные для отслеживания крупномасштабных тенденций движения воды. Но эти данные имеют более низкое разрешение: например, данные миссии NASA GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Tellus имеют разрешение около 300 километров, что примерно в 10 000 раз грубее, чем у новой карты.

Чтобы продемонстрировать ценность данных высокого разрешения, команда показала, что произошло, когда они уменьшили разрешение всей своей карты с 30 метров до 100 километров — пространственного разрешения многих глобальных гидрологических моделей. Полученная в результате более пиксельная карта оценила объем воды чуть более чем в 252 000 кубических километров, что на 18% меньше по сравнению с новой картой.

В дополнение к определению количества грунтовых вод с высоким разрешением, новая карта раскрывает более нюансированную информацию об известных источниках подземных вод.

Например, она показывает, что около 40% земель на территории смежных штатов США имеют глубину залегания грунтовых вод менее 10 метров. «Этот 10-метровый диапазон — это тот диапазон, где возможно взаимодействие между грунтовыми водами, растениями и поверхностью земли», — сказала Кондон. — «И это как раз указывает на то, насколько связаны эти системы».

Предвзятость во благо

В новой работе использовались как прямые измерения из колодцев, так и спутниковые данные — около миллиона измерений, проведенных в период с 1895 по 2023 год, — а также карты осадков, температуры, гидравлической проводимости, текстуры почвы, высоты над уровнем моря и удаленности от водотоков. Затем ученые использовали эти данные для обучения модели машинного обучения.

Помимо способности быстро обрабатывать такое множество точек данных, Максвелл отметил еще одно преимущество подхода машинного обучения, которое может показаться неожиданным: его предвзятость. Ранние оценки грунтовых вод были относительно упрощенными и не учитывали ни гидрогеологию, ни тот факт, что люди сами выкачивают воду из-под земли. Подход команды с использованием машинного обучения смог включить эту информацию, потому что свидетельства откачки грунтовых вод присутствовали в данных, использованных для его обучения.

«Когда вы постоянно слышите о предвзятости в машинном обучении, это обычно имеет негативный оттенок, верно? — сказал Максвелл. — Но оказалось, что когда вы не можете отделить сигнал откачки грунтовых вод и истощения запасов от почти миллиона наблюдений, которые мы использовали для обучения этого подхода машинного обучения, он неявно усвоил эту предвзятость… Он усвоил сигналы откачки, он усвоил сигнал истощения в результате деятельности человека».

Максвелл и другие исследователи надеются, что карта может стать ресурсом для региональных руководителей, принимающих решения в области управления водными ресурсами, а также для фермеров, принимающих решения об орошении. Кондон добавила, что надеется на повышение осведомленности о грунтовых водах в целом.

«Грунтовые воды есть буквально всегда и везде, — сказала она. — Карта заполнена повсюду, где бы вы ни находились. Где-то они на глубине 300 метров, где-то — 1 метр. Но где бы вы ни стояли, копните вниз — и там, где-то глубоко, есть вода».

Это исследование — не просто академическое упражнение в подсчетах. Точное знание о распределении подземных вод критически важно в эпоху изменения климата и учащения засух. Например, на юго-западе США, где водные ресурсы и без того скудны, новая карта может помочь выявить районы, где истощение водоносных горизонтов происходит быстрее всего, и принять меры до того, как «сберегательный счет» будет полностью исчерпан.

Более того, высокое разрешение карты позволяет увидеть локальные аномалии, которые раньше терялись на общем фоне. Фермеры в Калифорнии смогут более точно планировать севооборот и объемы забора воды для полива, опираясь не на усредненные данные по региону, а на конкретные показатели для своего участка. Городские планировщики в Техасе или Аризоне получат инструмент для оценки долгосрочной устойчивости водоснабжения растущих мегаполисов.

Следующий шаг для команды Максвелла — интеграция этой статической карты с динамическими моделями, учитывающими скорость пополнения запасов и их расходования. Это позволит превратить «моментальный снимок» в работающий прогноз, отвечающий на вопрос не только «сколько у нас воды?», но и «на сколько нам ее хватит?».