Des chercheurs de Stanford et de l'Université de Calgary ont transformé des impulsions de courant électrique envoyées 1, 000 pieds sous terre dans une image de l'endroit où l'eau de mer s'est infiltrée dans les aquifères d'eau douce le long de la côte de la baie de Monterey.

Les résultats, qui sera publié dans un prochain numéro du Journal d'hydrologie mais sont disponibles en ligne maintenant, aider à expliquer les facteurs contrôlant ce phénomène, appelé intrusion d'eau salée, et pourrait aider à améliorer les modèles d'eaux souterraines que les gestionnaires locaux de l'eau utilisent pour prendre des décisions sur le pompage des eaux souterraines pour répondre aux besoins de consommation ou d'agriculture.

« L'espoir est que les gestionnaires locaux de l'eau puissent utiliser ces résultats pour mieux identifier les régions les plus touchées par l'intrusion d'eau salée où des pratiques de gestion ciblées peuvent être mises en œuvre le plus efficacement, " a déclaré Meredith Goebel, co-auteur de l'étude, un doctorant à la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement.

conseiller diplômé de Goebel, Chevalier du romarin, se spécialise dans l'adaptation d'outils d'imagerie géophysique pour surveiller et gérer les ressources en eau douce. « De la même manière que l'imagerie médicale a révolutionné l'approche de la gestion de la santé humaine, Je pense que l'imagerie de la Terre à l'aide de méthodes géophysiques peut révolutionner l'approche de la gestion de la santé de nos systèmes d'eaux souterraines, " dit Chevalier, qui est le professeur George L. Harrington à Stanford.

Selon les Nations Unies, plus de la moitié de la population mondiale vit à moins de 60 kilomètres de la côte, et les trois quarts de toutes les grandes villes sont situées dans des zones côtières. De nombreuses communautés côtières dépendent des eaux souterraines pour satisfaire leurs besoins en eau potable et agricole. Mais retirer trop de ces eaux souterraines peut modifier la pression des fluides des aquifères souterrains, attirer l'eau de mer dans les aquifères côtiers et corrompre l'approvisionnement en eau. L'intrusion d'eau salée est souvent irréversible.

ERT

Pour déterminer l'étendue de l'intrusion d'eau salée dans la région de la baie de Monterey, l'équipe de recherche a utilisé une technique d'imagerie géophysique appelée tomographie à résistivité électrique (ERT) pour cartographier la salinité des eaux souterraines le long d'une bande côtière de 45 kilomètres (28 milles) d'Aptos à Monterey. L'ERT mesure une propriété appelée résistivité électrique. L'eau de mer est électriquement conductrice en raison de sa forte teneur en sel, tandis que l'eau douce est électriquement résistive.

L'ERT pourrait fournir une alternative moins chère et meilleure que la méthode actuelle utilisée pour surveiller l'intrusion d'eau salée, qui consiste à forer des puits « sentinelles » à des endroits précis. « Contrairement aux puits, qui ne vous donnent des informations qu'à un seul endroit, ERT vous donne une tranche bidimensionnelle complète avec une couverture spatiale qui n'est tout simplement pas possible avec les puits, " dit Chevalier.

Les puits sentinelles sont également coûteux :quatre des puits utilisés pour surveiller l'intrusion d'eau salée le long de la baie de Monterey ont coûté près d'un million de dollars à forer. En revanche, le sondage de l'équipe de Stanford a coûté environ 200 $, 000.

Les enquêtes ERT pourraient également être répétées au même endroit pour observer les changements au fil du temps, a déclaré le co-auteur de l'étude Adam Pidlisecky, qui est le directeur de la recherche chez Aranz Geo. « Regarder les différences à travers le temps peut souvent être plus utile que d'essayer de comprendre une seule image, " dit Pidlisecky, qui a mené la recherche à l'Université de Calgary au Canada.

Conseil téléphonique

Pour Chevalier, l'étude, qui est le plus long et le plus profond de son genre, représente l'aboutissement d'une expérience ambitieuse qui a commencé avec un conseil téléphonique il y a six ans. "Un hydrologue travaillant dans la région de Monterey m'a dit qu'il y avait beaucoup d'intérêt pour ce qui se passe avec l'intrusion d'eau salée le long de la côte et a suggéré que cela pourrait être un projet intéressant pour mon groupe, " dit Chevalier, qui est également affilié au Stanford Woods Institute for the Environment.

Lorsque Knight a contacté les autorités municipales locales pour obtenir la permission de commencer son enquête, certains d'entre eux n'en croyaient pas tout à fait leurs oreilles. « On m'a répondu :'Je viens de dépenser des centaines de milliers de dollars pour forer un puits, et vous me dites que vous pouvez le faire en marchant le long de la plage ?", a-t-elle déclaré.

L'obtention des permis requis auprès des villes et des propriétaires privés a pris près d'un an, mais à l'automne 2014, l'équipe était prête à commencer son enquête. Pendant environ deux semaines, Des chercheurs de l'Université de Stanford et de l'Université de Calgary ont travaillé avec des ingénieurs de la société d'ingénierie WorleyParsons pour disposer une longue chaîne de câbles électriques le long de la plage. Les câbles étaient ponctués d'électrodes en acier de 4 pieds enfoncées dans le sable.

Après la mise en place d'une série d'électrodes, l'équipe a pompé de minuscules impulsions d'électricité à travers le fil de connexion. Le courant s'est propagé sous le sol, et en mesurant la tension entre les paires d'électrodes, l'équipe a pu créer une carte de résistivité du sous-sol. Moins de résistance signifiait qu'il y avait plus d'eau salée en dessous. Une fois que l'équipe a sondé une partie du littoral, elle a retiré les piquets et répété le processus ailleurs.

L'enquête impliquait de passer de longues heures au soleil à transporter de l'équipement lourd et à couvrir minutieusement presque tout le littoral de la baie de Monterey, un mile à la fois, mais l'effort a payé. "Il s'agit de la première vue à l'échelle régionale du sous-sol qui montre clairement l'impact de la géologie sur la distribution des fluides ainsi que l'influence du pompage à proximité des côtes, " a déclaré Pidlisecky. " Tout au long du processus, nous avons activement établi des liens avec les gestionnaires des eaux souterraines et les professionnels techniques de la région, ainsi que le grand public. Nous sommes ravis d'aller plus loin dans cet engagement avec la publication et le partage de ces résultats via un portail Web interactif en 3D. »

Les données recueillies par l'équipe ont donné un carte de résistivité bidimensionnelle du littoral qui révèle des schémas complexes d'intrusion d'eau salée dans la région jusqu'à une profondeur de 1, 000 pieds et met en évidence l'interaction entre la géologie et les activités humaines contrôlant la répartition de l'eau douce et salée de la région. Par exemple, l'équipe a découvert un corps dynamique, ou "lentille, " d'eau douce près de Marina formée par l'infiltration des étangs de ruissellement des eaux pluviales sus-jacentes dans une zone qui subissait autrement une intrusion d'eau salée. La carte a également montré que les efforts déployés par le district de gestion de l'eau de Pajaro pour réduire le pompage des eaux souterraines en fournissant de l'eau recyclée aux irrigants fonctionnaient comme prévu .

Keith Van Der Maaten, directeur général du Marina Coast Water District, a déclaré que les nouvelles découvertes pourraient aider à combler de nombreuses lacunes dans leurs données sur les ressources en eaux souterraines. « La cartographie actuelle de l'interface eau douce-eau salée dans notre région pose de nombreux problèmes et est trompeuse, " a déclaré Van Der Maaten. " Les données de l'ERT nous aideront à obtenir une image plus complète afin que nous puissions aller de l'avant avec nos efforts de planification de l'approvisionnement en eau et de durabilité des eaux souterraines. "

Étude aéroportée de suivi

La résistivité électrique étant une propriété présente dans tous les matériaux, L'ERT pourrait avoir des applications au-delà de la gestion de l'eau. "Chaque fois que ce que vous essayez d'imager dans le sous-sol a une résistivité différente de celle du matériau qui l'entoure, vous devriez pouvoir utiliser cette méthode, ", a déclaré Goebel.

Knight n'en a pas encore fini avec la région de Monterey Bay, toutefois. Son équipe s'est associée au Marine Coast Water District pour effectuer un levé de suivi aéroporté par hélicoptère qui utilise une technique géophysique différente pour cartographier la résistivité électrique souterraine dans les zones intérieures de la région.

"Au lieu d'une seule tranche, le levé aéroporté va nous donner des centaines de tranches et nous permettre de dresser une image tridimensionnelle de la répartition des eaux douces souterraines, ", a déclaré Goebel.