Les eaux souterraines sont une ressource clé pour les utilisateurs d'eau dans la vallée centrale de Californie, un pôle agricole majeur avec une production économique de dizaines de milliards de dollars par an. La déformation de surface dans la vallée centrale a longtemps été liée à des changements dans le stockage des eaux souterraines, mais le moment et le mouvement de l'écoulement de l'eau sous la surface ont été mal compris en raison d'un manque de données fiables.

Maintenant, pour la première fois, des scientifiques de la Scripps Institution of Oceanography et de la School of Global Policy and Strategy de l'Université de Californie à San Diego, ainsi que l'U.S. Geological Survey utilisent des données satellitaires avancées pour cartographier le « pulse » de l'écoulement des eaux souterraines dans la vallée de San Joaquin, la partie sud de la vallée centrale.

Dans une nouvelle étude publiée le 7 avril dans Recherche sur les ressources en eau , les chercheurs interdisciplinaires décrivent comment les progrès récents de la télédétection ont permis de cartographier en détail la déformation de surface dans la vallée de San Joaquin et les changements associés dans les ressources en eaux souterraines.

L'étude est la première à examiner où et quand les eaux souterraines de la région sont rechargées - un processus dans lequel les eaux de surface se déplacent vers le bas à travers le sol et les roches peu profondes, éventuellement ajoutés à des réserves souterraines appelées aquifères. Cette recharge fait monter la surface, à mesure que l'aquifère gonfle en raison de l'augmentation du volume d'eau stockée.

Les résultats sont particulièrement opportuns alors que la Californie met en œuvre sa loi sur la gestion durable des eaux souterraines pour mieux comprendre et protéger ses ressources en eaux souterraines.

« Étudier le mouvement des eaux souterraines est comme une boîte noire :nous essayons d'obtenir toutes sortes d'informations sur ce qui arrive à l'eau sous la surface, " a déclaré Wesley Neely, un doctorat candidat à Scripps Oceanography et auteur principal de l'étude. "L'ensemble de données que nous examinons dans cette étude nous aide à combler certaines des lacunes, et maintenant nous sommes en mesure de cartographier la signature de l'écoulement des eaux souterraines à travers la vallée centrale à des échelles pertinentes pour les politiques. »

Sur la base d'observations satellitaires, la hauteur de la surface de la terre dans la vallée centrale change de plus ou moins 2,75 pouces à mesure que les niveaux d'eau souterraine augmentent et diminuent tout au long de l'année. En période de sécheresse, le sol de la région peut s'enfoncer jusqu'à 13,7 pouces par an.

Les nouvelles observations ont été faites à l'aide de satellites InSAR (radar à ouverture synthétique interférométrique) des missions Sentinel-1 et des données continues du système de positionnement global (cGPS). Les chercheurs ont utilisé les observations satellitaires du mouvement à la surface de la terre pour visualiser le mouvement de l'eau dans le sous-sol, cartographier efficacement un processus géophysique important qui serait autrement difficile et coûteux à observer.

"Cette recherche est importante car les résultats nous donnent un nouvel outil pour documenter et comprendre les changements dans les systèmes d'eaux de surface et souterraines connectés, " a déclaré le co-auteur de l'étude Morgan Levy, professeur adjoint avec une nomination conjointe à la Scripps Oceanography et à la School of Global Policy and Strategy de l'UC San Diego.

Ce travail s'appuie sur une étude récente de Levy et d'autres chercheurs de l'UC San Diego qui ont utilisé l'imagerie par satellite pour surveiller l'affaissement, ou couler, dans la Vallée Centrale, ce qui peut se produire lorsque de grandes quantités d'eau souterraine sont retirées des aquifères.

La vallée de San Joaquin est un bassin sédimentaire, composé de graviers entremêlés de couches d'argile et de limon, avec des poches d'eau nichées entre les grains de ce matériau. Au fur et à mesure que l'eau est retirée du système, le changement de pression qui en résulte peut entraîner l'effondrement des grains les uns sur les autres, qui pourrait entraîner un affaissement permanent, une préoccupation majeure pour la région.

"C'est un peu comme un château de cartes qui s'effondre, " a déclaré Neely. " Une fois qu'un effondrement se produit, il peut être très difficile d'ouvrir à nouveau cet espace."

Cependant, en regardant les données satellitaires de 2016, une année sèche, et 2017, une année humide, Neely a trouvé certaines régions spécifiques dans la vallée de San Joaquin où le soulèvement de la surface suggère des voies pour la recharge des aquifères - où et quand l'eau de surface pénètre dans les réservoirs d'eau souterraine.

La vue radar de la région a permis à Neely et à ses collaborateurs de construire une série chronologique d'images pouvant être étudiées en détail. Plutôt que de se concentrer sur le grand signal d'affaissement de l'extraction des eaux souterraines, les chercheurs ont étudié le signal saisonnier qui se cachait dans la série chronologique. Le signal saisonnier fournit des informations sur le moment et l'endroit où un point au sol a un pic relatif de soulèvement au cours d'une année donnée, ce qui se traduit par un pic du niveau des eaux souterraines à ce point.

Cartographier ce moment à travers la vallée, ils ont trouvé des régions où le pic de soulèvement correspondait au moment des apports d'eau, comme le ruissellement des rivières des chaînes de la Sierra Nevada. Compte tenu du moment du soulèvement et de leur proximité avec les rivières et les ruisseaux, cela suggérait que la recharge de l'aquifère se produisait là où de grandes quantités d'eau s'écoulaient des bassins versants voisins de la Sierra Nevada.

Plus loin, ils ont constaté qu'en s'éloignant du lieu de recharge présumée, le moment du soulèvement change d'une manière qui peut suggérer des voies pour l'écoulement des eaux souterraines.

"C'est comme observer une impulsion qui traverse l'aquifère, " a déclaré Neely. " Non seulement nous avons localisé des régions où la recharge saisonnière des eaux souterraines se produit, mais nous pouvons estimer le moment des événements de recharge, où les eaux souterraines peuvent s'écouler après avoir pénétré le sous-sol, et comment cette réponse change pendant les années sèches et humides."

Cette étude fournit un nouvel aperçu d'un système aquifère qui peut être utilisé pour contraindre les modèles d'eau souterraine et d'affaissement.

"La partie la plus intéressante de la recherche consistait simplement à voir, dans l'espace et dans le temps, la connexion physique entre les réseaux d'eaux de surface et les changements de surface des terres induits par les eaux souterraines. Nous savons que les eaux de surface et les aquifères sont connectés, mais les sources de données traditionnelles ne vous permettent pas d'observer ces connexions aussi clairement, " dit Lévy.

Leurs conclusions sur la répartition inégale de la recharge des eaux souterraines dans la vallée de San Joaquin contredisent le fonctionnement actuel des agences de gestion des eaux souterraines. Les directives actuelles supposent que tout le monde reçoit des quantités équivalentes de recharge.

Les chercheurs ont déclaré que leurs conclusions ont de sérieuses implications sur la façon dont les agences de l'eau devraient penser à coordonner leurs efforts pour atteindre les objectifs de durabilité fixés par l'État. Alors que cette étude était basée en Californie, les méthodologies décrites sont largement applicables aux systèmes aquifères régionaux à travers le monde.