Les chercheurs ont démêlé des schémas déroutants de terres qui s’enfoncent et s’élèvent pour identifier les endroits souterrains où l’eau est pompée pour l’irrigation.
Les scientifiques ont mis au point une nouvelle méthode qui promet d’améliorer la gestion des eaux souterraines, essentielle à la fois à la vie et à l’agriculture dans les régions sèches. La méthode trie la quantité d’eau souterraine perdue dans les aquifères confinés dans l’argile, qui peuvent être drainés si secs qu’ils ne se rétablissent pas, et la quantité qui provient du sol qui n’est pas confiné dans un aquifère, qui peut être reconstitué en quelques années de pluies normales.
L’équipe de recherche a étudié le bassin de Tulare en Californie, qui fait partie de la vallée centrale. L’équipe a découvert que la clé de la distinction entre ces sources d’eau souterraines est liée aux schémas d’abaissement et d’élévation du niveau du sol dans cette région agricole fortement irriguée.
La vallée centrale ne représente que 1 % des terres agricoles des États-Unis, mais elle produit annuellement 40 % des fruits, légumes et noix de table du pays. Une telle productivité n’est possible que parce que les agriculteurs augmentent les précipitations annuelles de 5 à 10 pouces (12 à 25 centimètres) de la vallée grâce à un pompage intensif des eaux souterraines. Les années de sécheresse, plus de 80 % de l’eau d’irrigation provient du sous-sol.
Après des décennies de pompage, les ressources en eau souterraine s’amenuisent. Les puits dans le bassin de Tulare doivent maintenant être forés jusqu’à 3 500 pieds (plus de 1 000 mètres) de profondeur pour trouver suffisamment d’eau. Il n’y a aucun moyen de mesurer exactement la quantité d’eau qui reste sous terre, mais les gestionnaires doivent faire le meilleur usage possible de ce qu’il y a. Cela implique de surveiller si l’eau est puisée dans des aquifères ou dans un sol meuble, connu sous le nom de nappe phréatique. Dans cette vaste région comptant des dizaines de milliers de puits non mesurés, le seul moyen pratique d’y parvenir est d’utiliser des données satellitaires.
Une équipe de recherche du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud et du Lawrence Berkeley Laboratory du département américain de l’Énergie en Californie du Nord a entrepris de créer une méthode qui ferait exactement cela. Ils se sont attaqués au problème en combinant les données sur la perte d’eau des satellites Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) et GRACE Follow-On de la NASA avec les données sur les changements au niveau du sol d’un satellite Sentinel-1 de l’ESA (Agence spatiale européenne). Les changements au niveau du sol dans cette région sont souvent liés à la perte d’eau, car lorsque le sol est drainé, il finit par s’effondrer et s’enfonce dans les espaces où se trouvait l’eau – un processus appelé affaissement.
Le bassin de Tulare s’affaisse considérablement : le taux actuel est d’environ un pied (0,3 mètre) d’enfoncement par an. Mais d’un mois à l’autre, le sol peut baisser, monter ou rester le même. De plus, ces changements ne correspondent pas toujours aux causes attendues. Par exemple, après une forte pluie, la nappe phréatique monte. Il semble évident que cela ferait également monter le niveau du sol, mais il s’enfonce parfois à la place.
Les chercheurs pensaient que ces mystérieuses variations à court terme pourraient détenir la clé pour déterminer les sources d’eau pompée. « La question principale était, comment interprétons-nous le changement qui se produit sur ces échelles de temps plus courtes : est-ce juste un blip, ou est-ce important ? » a déclaré Kyra Kim, boursière postdoctorale au JPL et coauteur de l’article, paru dans Rapports scientifiques sur la nature.
Argile contre sable
Kim et ses collègues pensaient que les changements étaient liés aux différents types de sols du bassin. Les aquifères sont confinés par des couches d’argile rigide et imperméable, tandis que le sol non confiné est plus meuble. Lorsque l’eau est pompée d’un aquifère, l’argile met un certain temps à se comprimer en réponse au poids de la masse terrestre qui appuie d’en haut. Le sol non confiné, en revanche, monte ou descend plus rapidement en réponse à la pluie ou au pompage.
Les chercheurs ont créé un modèle numérique simple de ces deux couches de sols dans le bassin de Tulare. En supprimant la tendance à long terme de l’affaissement des données sur les changements au niveau du sol, ils ont produit un ensemble de données contenant uniquement les variations d’un mois à l’autre. Leur modèle a révélé qu’à cette échelle de temps, pratiquement tous les changements au niveau du sol peuvent être expliqués par des changements dans les aquifères, et non dans la nappe phréatique.
Par exemple, au printemps, il y a peu de précipitations dans la vallée centrale, de sorte que la nappe phréatique s’enfonce généralement. Mais le ruissellement de la neige dans la Sierra Nevada recharge les aquifères, ce qui fait monter le niveau du sol. Lorsque les précipitations font monter la nappe phréatique, si les aquifères se compriment en même temps à cause du pompage pendant la saison sèche précédente, le niveau du sol baissera. Le modèle a correctement reproduit les effets des événements météorologiques comme les fortes pluies de l’hiver 2016-17. Cela correspondait également à la petite quantité de données disponibles provenant des puits et du GPS.
Kim a souligné que le nouveau modèle peut être réorienté pour représenter d’autres régions agricoles où l’utilisation des eaux souterraines doit être mieux surveillée. Avec un lancement prévu en 2023, la mission NASA-ISRO (Indian Space Research Organization) Synthetic Aperture Radar (NISAR) mesurera les changements au niveau du sol à une résolution encore plus élevée que Sentinel-1. Les chercheurs pourront combiner l’ensemble de données de NISAR avec les données de GRACE Follow-On dans ce modèle au profit de l’agriculture dans le monde entier. « Nous nous dirigeons vers un très beau mariage entre la télédétection et les modèles numériques pour tout rassembler », a déclaré Kim.
Donald W. Vasco et al, Utilisation des données satellitaires Sentinel-1 et GRACE pour surveiller les variations hydrologiques dans le bassin de Tulare, Californie, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-07650-1