Непросто визначити, скільки води у всьому ландшафті. Близько 1% прісної води на Землі присутня на Землі, що можна легко побачити та виміряти. Але під ним вимірювання значно відрізняються залежно від глибини ґрунтових вод і надр, які ми не можемо побачити безпосередньо.
Рід Максвелл, гідролог з Прінстонського університету, любить розглядати опади, сніг і поверхневу воду як рахунок, який використовується для короткострокових потреб управління водними ресурсами, а підземні води як рахунок зберігання, який, на його думку, повинен накопичуватися з часом.
“Ми працюємо в ситуації, коли ми не знаємо, скільки грошей надходить в ощадбанк щомісяця, і ми не знаємо, скільки грошей у нас в ощадбанку”, – сказав він.
Але нова карта підземних вод, розроблена Максвеллом та його колегами, дає найвищу оцінку кількості підземних вод у суміжних Сполучених Штатах: близько 306 500 кубічних кілометрів. Це в 13 разів перевищує об’єм усіх Великих озер, що приблизно в 7 разів перевищує об’єм води, який стікають усі річки на Землі за рік. Ця оцінка, отримана з роздільною здатністю 30 метрів, включає всі грунтові води на глибині до 392 метрів, найглибші грунтові води, для яких доступні надійні дані про пористість. Попередні оцінки з використанням подібних обмежень становили від 159 000 до 570 000 кубічних кілометрів.
«Це, безумовно, крок вперед у порівнянні з деякими з попередніх [mapping] Грант Фергюсон, гідрогеолог з Університету Саскачевану, який не брав участі в дослідженні.
Добре, добре, добре
Попередні оцінки рівня ґрунтових вод ґрунтувалися переважно на спостереженнях у свердловинах.
«Це справді божевільна річ про підземні води», — сказала Лаура Кондон, гідролог з Університету Арізони та співавтор статті. «У нас є діри в землі, де знаходиться колодязь, вони вимірюють глибину грунтових вод, і це те, що ми повинні зробити».
Однак не всі колодязі регулярно вимірюються. Зі зрозумілих причин колодязів більше в місцях з більшою кількістю грунтових вод, що дає інформацію про території з меншою кількістю грунтових вод. І свердловина представляє лише одну точку, тоді як глибина грунтових вод може сильно змінюватися на короткій відстані.
Дослідники використовували ці точки даних, а також знання фізики того, як вода тече під землею, щоб змоделювати глибину ґрунтових вод з роздільною здатністю близько 1 кілометра. Вони також використовували супутникові дані, щоб зафіксувати масштабні тенденції руху води. Але ці дані мають нижчу роздільну здатність: наприклад, дані місії NASA GRACE (Gravity Recovery and Climate) мають роздільну здатність близько 300 кілометрів, що приблизно в 10 000 разів грубіше, ніж на новій карті.
Щоб продемонструвати цінність даних високої роздільної здатності, команда показала, що сталося, коли вони зменшили роздільну здатність усієї своєї карти з 30 метрів до 100 кілометрів – просторова роздільна здатність багатьох глобальних гідрологічних моделей. Отримана піксельна карта оцінила понад 252 000 кубічних кілометрів води, що на 18% менше, ніж на новій карті.
Окрім кількісного визначення підземних вод з високою роздільною здатністю, нова карта розкриває більше інформації про відомі джерела підземних вод.
Наприклад, це показує, що близько 40% суші в Сполучених Штатах мають глибину ґрунтових вод менше 10 метрів. “Цей 10-метровий діапазон – це діапазон, де ви можете мати підземні та поверхневі води”, – сказав Кондон. «І це лише показує, наскільки взаємопов’язані ці системи».
Хороші стосунки
У новій роботі використано прямі вимірювання свердловин, а також супутникові дані — майже один мільйон вимірювань, зроблених між 1895 і 2023 роками — разом із картами опадів, температури, гідравлічної провідності, текстури ґрунту, висоти та відстані до потоку. Потім вчені використовували дані для навчання моделі машинного навчання.
Окрім можливості швидко відсортувати так багато точок даних, Максвелл зазначив ще одну перевагу підходу машинного навчання, яка може здатися несподіваною: його упередженість. Ранні описи підземних вод були відносно спрощеними, не зосереджуючись ні на гідрогеології, ні на тому факті, що люди самі видобувають воду з землі. Підхід команди машинного навчання зміг включити цю інформацію, оскільки в даних, використаних для її вивчення, були докази відкачування ґрунтових вод.
«Щоразу, коли ви чуєте про упередженість у машинному навчанні, це зазвичай має негативний відтінок, чи не так?» – сказав Максвелл. «Як виявилося, коли ви не можете відокремити сигнал викачування ґрунтових вод і сигнал виснаження ґрунтових вод від майже 1 мільйона спостережень, які ми використовували для навчання цьому методу машинного навчання, він чітко дізнався, що він упереджений… Він дізнався сигнал прокачування, він дізнався сигнал виснаження людини».
Максвелл та інші дослідники сподіваються, що карта може стати ресурсом для тих, хто приймає рішення щодо регіонального управління водними ресурсами, а також для фермерів, які приймають рішення щодо зрошення. Кондон додав, що сподівається, що це розширить знання про підземні води в цілому.
«Ґрунтові води практично всюди, — сказав він. Карта “заповнюється скрізь, де б ви не були. У деяких місцях глибина 300 метрів, в інших – 1 метр. Але де б ви не стали, копайте, там є вода”.
Ця стаття була спочатку опублікована в EOS Magazine.
