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[2019] [미국] 스탠포드대학, 지하수 잘 보충하는 곳 지도화 방법 제안
이름 관리자 waterindustry@hanmail.net 작성일 2019.04.15 조회수 181
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[미국] 스탠포드대학, 지하수 잘 보충하는 곳 지도화 방법 제안

 

 

미국 캘리포니아의 센트럴 밸리(Central Valley)에서의 오버 펌핑(overpumping)은 지하수 저장 능력을 고갈 시켰고 토지가 가라앉도록 만들었다. 원격 감지 데이터를 기반으로 한 새로운 모델은 물 관리자가 범람하는 지역으로 대수층을 보충할 수 있는 곳을 제로로 만들 수 있다.

 

캘리포니아에서 가장 생산성이 높은 농경 지역의 대수층을 빠져나가는 물의 양은 물의 유입량을 훨씬 능가한다. 이 과다한 펌핑으로 인해 많은 지역의 토지가 짠 스펀지처럼 가라앉았으며 지하수 저장 능력을 영구적으로 고갈시켰다.

 

그리고 캘리포니아주에서 지속 가능한 지하수 관리에 대한 2014년 임무는 캘리포니아 센트럴 밸리의 대수층 보충에 관심을 쏟았다. 그러나 지금까지 이러한 유형의 치료법이 가장 효과적인 방법을 알 수 있는 확실한 방법이 없었다. 

 

스탠포드 대학(Stanford University)의 새로운 연구에 따르면 대수층을 보충하고 침하를 막기 위해 지하수 재충전을 사용하는 위치와 방법을 정확하게 매핑(mapping)하는 방법이 제시되었다.

 

센트럴 밸리의 일부는 20 세기 상반기에 28피트까지 침몰했으며, 최근 몇 십 년 동안 일부 지역은 연간 약 8인치가 떨어졌다. 피어 리뷰가 저널(peer-reviewed journal)인 수자원 연구(Water Resources Research)에 게재된 새로운 연구에서 모델링은 펌핑 속도가 느려지지 않는 한 향후 20년 동안 땅이 13피트 이상 떨어지는 것을 나타낸다.

 

심지어 이 모델은 펌프가 수생물에 들어가는 물의 양을 초과하지 않는 시나리오에서도 펌핑으로 피해를 입으면서 계속 가라앉을 것으로 예측하고 있다.

 

스탠포드 스쿨(Stanford School of Earth, Energy & Environmental Sciences)의 로즈메리 나이트(Roememary Knight) 교수는 "시스템에 시간 지연이 있다"라면서 "우리가 멈추게 할 수 있는 유일한 방법은 우리가 이용할 수 있는 재충전 용수로 우리가 하는 일에 전략적으로 대처하는 것이다"라고 말했다.

 

■ 완벽한 폭풍(A perfect storm)
평년에는 센트럴 밸리에서 대부분의 관개를 위해 운하, 저수지 및 강물의 물이 충분하지만 대수층은 보충물을 제공한다. 그러나 최근의 가뭄 기간 동안 지표 공급이 부족해졌고 지역의 10억 달러 농업산업에 기여한 농민들은 지하수에 더 많이 의존했다.

 

 로즈메리 나이트(Roememary Knight) 교수는 이어 "낮은 강수량, 따뜻한 기온, 지하수 펌핑의 필요성 및 침강하기 쉬운 점토의 풍부함과 결합 된 광범위한 농업 산업의 완벽한 폭풍"이라면서 “여기에서 점토질은 압축된 상태에서 압축되면 비소가 풍부해지며 집중적인 펌핑은 물 공급으로 배출될 수 있어 물의 양과 수질에 문제가 있다"고 강조했다.

 

현재 사용 중이거나 캘리포니아 주에서 진지하게 고려중인 재충전 방법은 겨울철에 들판이나 과수원 숲을 범람시키거나 연중 재충전 연못을 만들어야 한다.

물이 지하로 내려갈 곳을 아는 것은 단단히 쌓인 점토와 미사(고운모래)를 서로 얽힌 모래와 자갈의 복잡한 채널을 매핑하는 것에 달려 있다. 캘리포니아 주에서는 그 정보가 종종 계약자의 보고서를 수집하는 데 비용이 많이 들고 뚫어 진 우물 아래 또는 아래의 영역을 포함하지 않는 주 규제 당국에 보고되고 있다. 


■ 지면 위와 아래(Above and below ground)
 두 가지 유형의 원격 감지 데이터의 결합에 기반한 새로운 접근법은 상대적으로 저렴한 비용으로 대규모 농업 지역에 적용될 수 있다.

 

 스탠포드 대학(Stanford University)의 나이트(Knight)와 스미스(Smith) 교수는 이전 연구에서 측정된 모래와 점토층의 구조를 캘리포니아 주 프레스노(Fresno)에서 남쪽으로 약 45마일 떨어진 툴레어 카운티(Tulare)의 세 곳에서 헬리콥터에서 전자기 신호를 전송하여 분석했다. 또한 공중 위성 이미지의 데이터를 처리하여 땅이 얼마나 많이 침몰했는지 측정한다.

 

스미스 교수는 "두 데이터 세트가 점토 콘텐츠와 연결되어 있다는 것을 깨달았다. 나는 이 두 가지를 연결하는 수학적 방법이 있다면, 침강에 대한 예측 모델을 만들 수 있다고 생각했다. 이 연구는 기존의 수학 및 물리 알고리즘을 적용하여 두 데이터 세트를 하나의 모델로 통합하는 방법을 설명한다”라고 말했다.

 

캘리포니아 주 수자원국의 수석공학 지질학자인 팀 고드윈(Tim Godwin)은 두 가지 유형의 원격 감지 데이터로 캘리포니아 주만을 조사한 바 있다. 그는 항공 전자기 조사를 확장하려는 나이트의 노력을 지원했다.

 

그러나 이러한 데이터 세트가 커짐에 따라 싱킹을 예측할 수 있는 툴을 활용하여 지속 가능성 목표를 달성하는 최선의 방법에 대한 질문에 답하는 것이 도움이 될 것으로 기대하고 있다.

 

고드윈(Tim Godwin)은  "지하수 관리자는 침하 조건에 대한 민감성을 보다 정확하게 예측하고 제안 된 프로젝트에 대한 신뢰를 높일 수 있다"고 말했다.

 

 스미스 교수에 따르면, 미래의 물 부족에 대처하기 위해 굴착기가 지역의 우물을 깊게 만드는 경우, 향후 모델의 파괴가 현재 모델보다 훨씬 심각할 수 있다.

 

스미스 교수는 "펌프로 퍼지면 대폭적으로 압력을 잃을 수 있는 아직 미개발 된 대수층이 여전히 있다"면서 "그것은 오늘날 사용되는 대수층의 일부에서 하는 것보다 점토를 더 콤팩트하게 만들 것이다"라고 말했다.

 

 

[원문보기]


Stanford Study Offers A Way To Map Where Flooded Fields Best Replenish Groundwater

 

 

Overpumping in California’s Central Valley has depleted groundwater storage capacity and caused the land to sink. A new model based on remote sensing data could help zero in on where water managers can replenish aquifers by flooding fields.

 

In California, the amount of water exiting aquifers under the state’s most productive farming region far surpasses the amount of water trickling back in. That rampant overdraft has caused land across much of the region to sink like a squeezed out sponge, permanently depleting groundwater storage capacity and damaging infrastructure.

 

The trend - and a 2014 mandate for sustainable groundwater management in the state - has ignited interest in replenishing aquifers in California’s Central Valley through managed flooding of the ground above them.

 

But until now there has been no reliable way to know where this type of remedy will be most effective. New research from Stanford University suggests a way to map precisely where and how to use groundwater recharge to refill the aquifers and stop the sinking.

 

Parts of the Central Valley sunk by as much as 28 feet during the first half of the 20th century, and in recent decades some locations have dropped by nearly 8 inches per year. Modeling in the new study, published in the peer-reviewed journal Water Resources Research, indicates the ground will sink by another 13 feet or more at some sites over the next 20 years unless pumping slows down.

 

Even under a scenario where pumping never exceeds the amount of water going into aquifers, the model predicts continued sinking as past overdrafts take their toll. “There is a time delay in the system,” said geophysicist Rosemary Knight, senior author on the study and a professor at Stanford’s School of Earth, Energy & Environmental Sciences. “The only way we can stop it is to be strategic about what we do with our available recharge water.”

 

■ A perfect storm
 In a normal year, water in canals, reservoirs and rivers is sufficient for most irrigation in the Central Valley, while aquifers provide a supplement. In recent drought years, however, surface supplies came up short and farmers contributing to the region’s $1B agricultural industry relied more heavily on groundwater.

 

“It’s a perfect storm of an extensive agricultural industry combined with low precipitation, warm temperatures, the need for pumping groundwater and an abundance of clay that is prone to subsidence,” said Knight. Clays here that compact when pumped dry also tend to be rich in arsenic, which intensive pumping can release into water supplies. “So you have problems with water quantity and water quality,” Knight said.

 

Recharge methods now in use or under serious consideration in California involve flooding fields or orchard groves during the winter months or creating year-round recharge ponds. “The key question is where does the water go?” Knight said. “If you’re going to flood a farmer’s field, you should be sure it’s going to work.”

 

Knowing where water will go underground depends on mapping the intricate channels of sand and gravel that interlace tightly packed clays and silts. In California, that information often comes from drilling contractors’ reports to state regulators, which are expensive to acquire and do not cover areas between or beneath the drilled wells. As a result, the most common approach to dealing with subsidence is reactive. “If we are proactively managing then we can prevent unrecoverable storage loss,” said lead author Ryan Smith, a professor at Missouri University of Science and Technology who completed the research as a PhD student in geophysics at Stanford.

 

■ Above and below ground
 The new approach, based on a marriage of two types of remote sensing data, could be applied across large agricultural regions at relatively low cost. Knight and Smith analyzed the structure of sand and clay layers that had been measured in a previous study by transmitting electromagnetic signals from a helicopter at three sites in Tulare County, about 45 miles south of Fresno, California. They also processed data from public satellite images to measure how much the ground had sunk.

 

“I realized that both of the datasets were linked to clay content,” Smith said. “I thought, if there’s a mathematical way to connect these two, then we could build a predictive model of subsidence.” The study describes a method for adapting existing math and physics algorithms to integrate the two datasets into one model.

 

Only a sliver of California has been mapped with both types of remote sensing data, noted Tim Godwin, a senior engineering geologist with the California Department of Water Resources, which has supported Knight’s efforts to expand airborne electromagnetic surveys in the state. But as these datasets grow, he said, coupling them with tools to predict sinking will help answer questions about the best ways to meet sustainability goals. “Groundwater managers will be able to more accurately predict susceptibility to subsidence conditions and have greater confidence in proposed projects,” he said.

 

According to Smith, subsidence in the coming years could be even more severe than the current model indicates if drillers deepen the region’s wells to cope with future water shortages. “There are still deeper, largely untapped aquifers that, if pumped, would have a dramatic pressure loss,” he said. “That would cause the clays to compact more than they do in the portions of the aquifer being used today.”


[출처=워터-온라인(https://www.wateronline.com/doc/stanford-study-offers-flooded-fields-best-replenish-groundwater-0001) / 2019년 4월 10일]

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