Ricercatori di Stanford e dell'Università di Calgary hanno trasformato impulsi di corrente elettrica inviati 1, 000 piedi sottoterra in un'immagine di dove l'acqua di mare si è infiltrata nelle falde acquifere di acqua dolce lungo la costa della baia di Monterey.

Le scoperte, che sarà pubblicato in un prossimo numero del Giornale di idrologia ma sono ora disponibili online, aiutano a spiegare i fattori che controllano questo fenomeno, chiamata intrusione di acqua salata, e potrebbe aiutare a migliorare i modelli di acque sotterranee che i gestori idrici locali utilizzano per prendere decisioni sul pompaggio delle acque sotterranee per soddisfare le esigenze di abbeveraggio o agricoltura.

"La speranza è che i gestori idrici locali possano utilizzare questi risultati per identificare meglio le regioni più colpite dall'intrusione di acqua salata dove le pratiche di gestione mirate possono essere implementate in modo più efficace, " ha detto la coautrice dello studio Meredith Goebel, un dottorando alla School of Earth di Stanford, Scienze energetiche e ambientali.

consigliere laureato di Goebel, Cavaliere del rosmarino, è specializzata nell'adattare strumenti di imaging geofisico per monitorare e gestire le risorse di acqua dolce. "Così come l'imaging medico ha rivoluzionato l'approccio alla gestione della salute umana, Credo che l'imaging della Terra mediante metodi geofisici possa rivoluzionare l'approccio alla gestione della salute dei nostri sistemi di acque sotterranee, " disse Cavaliere, chi è il professore di George L. Harrington a Stanford.

Secondo le Nazioni Unite, più della metà della popolazione mondiale vive entro 37 miglia (60 chilometri) dalla costa, e tre quarti di tutte le grandi città si trovano nelle zone costiere. Molte comunità costiere si affidano alle acque sotterranee per soddisfare i propri bisogni di acqua potabile e agricola. Ma rimuovere troppe acque sotterranee può modificare la pressione del fluido delle falde acquifere sotterranee, attirando l'acqua di mare nelle falde acquifere costiere e danneggiando le riserve idriche. L'intrusione di acqua salata è spesso irreversibile.

ERT

Per determinare l'entità dell'intrusione di acqua salata nella regione della baia di Monterey, il team di ricerca ha utilizzato una tecnica di imaging geofisico chiamata tomografia a resistività elettrica (ERT) per mappare la salinità delle acque sotterranee lungo un tratto di costa di 28 miglia (45 chilometri) da Aptos a Monterey. ERT misura una proprietà chiamata resistività elettrica. L'acqua di mare è elettricamente conduttiva a causa del suo alto contenuto di sale, mentre l'acqua dolce è elettricamente resistiva.

L'ERT potrebbe fornire un'alternativa migliore e più economica rispetto all'attuale metodo utilizzato per monitorare l'intrusione di acqua salata, che prevede la perforazione di pozzi "sentinella" in luoghi specifici. "A differenza dei pozzi, che ti danno informazioni solo in una posizione, ERT ti offre una fetta bidimensionale completa con una copertura spaziale che non è possibile con i pozzi, " disse Cavaliere.

Anche i pozzi sentinella sono costosi:la perforazione di quattro dei pozzi utilizzati per monitorare l'intrusione di acqua salata lungo la baia di Monterey è costata quasi $ 1 milione. In contrasto, il sondaggio del team di Stanford è costato circa $ 200, 000.

Le indagini ERT potrebbero anche essere ripetute nello stesso punto per osservare i cambiamenti nel tempo, ha detto il coautore dello studio Adam Pidlisecky, chi è il responsabile della ricerca presso Aranz Geo. "Guardare le differenze nel tempo può spesso essere più utile che cercare di capire una singola immagine, " disse Pidlisecky, che ha condotto la ricerca mentre era all'Università di Calgary in Canada.

Suggerimento per il telefono

Per Cavaliere, lo studio, che è il più lungo e profondo del suo genere, rappresenta il culmine di un esperimento ambizioso iniziato con una segnalazione telefonica sei anni fa. "Un idrologo che lavora nell'area di Monterey mi ha detto che c'era molto interesse per ciò che sta accadendo con l'intrusione di acqua salata lungo la costa e ha suggerito che potrebbe essere un progetto interessante per il mio gruppo, " disse Cavaliere, che è anche affiliato allo Stanford Woods Institute for the Environment.

Quando Knight ha contattato i funzionari della città locale per ottenere il permesso di iniziare il suo sondaggio, alcuni di loro non potevano credere alle loro orecchie. "La mia risposta è stata, "Ho appena speso centinaia di migliaia di dollari per perforare un pozzo, e mi stai dicendo che puoi farlo camminando lungo la spiaggia?"' ha detto.

L'ottenimento dei permessi richiesti dalle città e dai proprietari terrieri privati ​​ha richiesto quasi un anno, ma nell'autunno del 2014 il team era pronto per iniziare il sondaggio. Nel giro di circa due settimane, ricercatori della Stanford University e dell'Università di Calgary hanno lavorato con gli ingegneri della società di ingegneria WorleyParsons per stendere una lunga serie di cavi elettrici lungo la spiaggia. I cavi erano punteggiati da elettrodi di acciaio di 4 piedi affondati nella sabbia.

Dopo aver posizionato una serie di elettrodi, il team ha pompato piccoli impulsi di elettricità attraverso il cavo di collegamento. L'attuale diffusione sotto terra, e misurando la tensione tra coppie di elettrodi, il team è stato in grado di creare una mappa di resistività del sottosuolo. Meno resistenza significava più acqua salata sotto. Una volta che il team ha esaminato un tratto di costa, ha tirato fuori i pali e ha ripetuto il processo altrove.

L'indagine prevedeva di trascorrere lunghe ore al sole trasportando attrezzature pesanti e coprendo scrupolosamente quasi l'intera costa di Monterey Bay un miglio alla volta, ma lo sforzo è stato ripagato. "Questa è la prima vista su scala regionale del sottosuolo che mostra chiaramente l'impatto della geologia sulla distribuzione dei fluidi, nonché l'influenza del pompaggio vicino alla costa, " ha detto Pidlisecky. "Durante il processo ci siamo collegati attivamente con i gestori delle acque sotterranee e i professionisti tecnici della regione, così come il pubblico in generale. Siamo entusiasti di portare avanti questo impegno con la pubblicazione e la condivisione di questi risultati attraverso un portale web 3D interattivo".

I dati raccolti dal team hanno prodotto un colorato, mappa bidimensionale della resistività della costa che rivela modelli complessi di intrusione di acqua salata nella regione fino a una profondità di 1, 000 piedi e mette in evidenza l'interazione tra la geologia e le attività umane che controllano la distribuzione della regione di acqua dolce e salata. Per esempio, il team ha scoperto un corpo dinamico, o "lente, " di acqua dolce vicino a Marina formata attraverso l'infiltrazione da sovrastanti stagni di scolo delle acque piovane in un'area che altrimenti sarebbe stata soggetta a intrusioni di acqua salata. La mappa ha anche mostrato che gli sforzi del distretto di gestione delle acque di Pajaro per ridurre il pompaggio delle acque sotterranee fornendo acqua riciclata agli irrigatori stavano funzionando come previsto .

Keith Van Der Maaten, direttore generale del Marina Coast Water District, ha affermato che le nuove scoperte potrebbero aiutare a colmare numerose lacune nei loro dati sulle risorse idriche sotterranee. "L'attuale mappatura dell'interfaccia acqua dolce-acqua salata nella nostra regione presenta molti problemi ed è fuorviante, " Van Der Maaten ha detto. "I dati ERT ci aiuteranno a darci un quadro più completo in modo che possiamo andare avanti con la nostra pianificazione dell'approvvigionamento idrico e gli sforzi per la sostenibilità delle acque sotterranee".

Follow-up studio aereo

Poiché la resistività elettrica è una proprietà presente in tutti i materiali, ERT potrebbe avere applicazioni oltre la gestione dell'acqua. "Ogni volta che ciò che stai cercando di visualizzare nel sottosuolo ha una resistività diversa rispetto al materiale che lo circonda, dovresti essere in grado di usare questo metodo, " ha detto Gobel.

Knight non ha ancora finito con la regione di Monterey Bay, però. Il suo team ha collaborato con il Marine Coast Water District per condurre un'indagine di follow-up in elicottero che utilizza una tecnica geofisica diversa per mappare la resistività elettrica del sottosuolo nelle aree interne della regione.

"Invece di una sola fetta, il rilevamento aereo ci darà centinaia di fette e ci permetterà di mettere insieme un'immagine tridimensionale della distribuzione sotterranea dell'acqua dolce, " ha detto Gobel.