DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02149-9
تاريخ النشر: 2025-03-18
المؤلف: Bridget R. Scanlon وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجيولوجيا الفيزيائية وقياسات الجاذبية
نظرة عامة
تتناول هذه الفقرة من البحث الديناميات المتعلقة بإدارة موارد المياه في حوض نهر كولورادو، لا سيما في ضوء ظروف الجفاف المطولة والتخصيص المفرط لموارد المياه. باستخدام بيانات من أقمار GRACE الصناعية، يكشف البحث أن الحوض السفلي قد شهد خسائر كبيرة في تخزين المياه، حيث تمثل 80% من الانخفاض الكلي، والذي يتجاوز سعة بحيرة ميد بنسبة 40%. تم تحديد استنزاف المياه الجوفية كعامل رئيسي، حيث تظهر النقاط الساخنة انخفاضات تراكمية تصل إلى 11 مترًا من 2002 إلى 2023. تسلط التحليل الضوء على السياق التاريخي لاستنزاف المياه الجوفية من الأربعينيات إلى السبعينيات، تلاه تعافي جزئي بسبب تقليل الري ودورات المناخ الرطب.
تؤكد النتائج على الدور الحاسم لإعادة شحن المياه الجوفية المدارة (MAR) وإعادة الشحن العرضي في استقرار مستويات المياه الجوفية في وسط أريزونا، حيث تم ملاحظة ارتفاع متوسط قدره 3 أمتار منذ عام 2000. ومع ذلك، فإن التخفيضات المتوقعة في تحويلات مياه نهر كولورادو تشكل خطرًا على تجدد الاستنزاف وهبوط الأرض، لا سيما في الأحواض التي تعتمد فقط على المياه الجوفية. يدعو البحث إلى الاستخدام المشترك للمياه السطحية والمياه الجوفية، مؤكدًا على الحاجة إلى استراتيجيات إدارة تكيفية لضمان الاستخدام المستدام لموارد المياه في مواجهة تغير المناخ وزيادة الطلب. بشكل عام، يسلط البحث الضوء على نقاط ضعف أريزونا وضرورة وجود ممارسات إدارة مبتكرة للتخفيف من نقص المياه في المستقبل.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم اشتقاق شذوذات تخزين المياه الكلي (TWSA) من بيانات الأقمار الصناعية المقدمة من بعثات GRACE وGRACE-FO، باستخدام بيانات من ثلاثة مراكز معالجة: مركز أبحاث الفضاء بجامعة تكساس (CSR)، مختبر الدفع النفاث التابع لناسا (JPL)، والمركز الألماني لأبحاث علوم الأرض (GFZ). امتد التحليل من أبريل 2002 إلى يونيو 2024، باستخدام الإصدار الأخير من GRACE (RL06). اتبعت كل مركز بروتوكول معالجة متسق، والذي شمل تعديلات على معاملات C20 وC30 باستخدام قياس الليزر من الأقمار الصناعية، وتحسين معاملات حركة مركز الجاذبية، وتصحيحات بناءً على نموذج ICE6G-D للتعديلات الجليدية.
لتحليل TWSA، تم حساب متوسط مرجح حسب الحوض كسلسلة زمنية خام، مع معالجة الفجوات من خلال نماذج الحالة البايزية. تم تحديد معلمات مكونات السلسلة الزمنية، وتم توليد 20,000 عينة باستخدام نهج سلسلة ماركوف مونت كارلو (عينة بدون دوران). تم دمج الوسيط للتوزيعات البعدية لإنشاء TWSA خالية من الفجوات من 2002 إلى 2024. تم حساب شذوذات TWS طويلة الأجل باستخدام تحليل الاتجاه الموسمي (STL)، وتم اشتقاق المتوسط والانحراف المعياري من الشذوذات عبر الحلول الثلاثة. بالإضافة إلى ذلك، تم تقدير شذوذات تخزين المياه الجوفية (GWSA) عن طريق طرح التغيرات في تخزين الخزانات ورطوبة التربة من TWSA، مع الحصول على بيانات رطوبة التربة من نماذج نظام دمج بيانات الأراضي العالمية (GLDAS).
النتائج
تشير النتائج إلى أن حوض نهر كولورادو العلوي (UCRB) يشهد هطول أمطار وتدفق أعلى مقارنة بحوض نهر كولورادو السفلي (LCRB)، مع تدفق طبيعي عند ليز فيري يبلغ متوسطه 15.8 كم³/سنة من 2002 إلى 2024. يكشف تحليل تخزين المياه الكلي (TWS) باستخدام بيانات GRACE عن انخفاض قدره 11 كم³ في UCRB، وهو أقل بكثير من استنزاف 45 كم³ الذي لوحظ في LCRB، والذي يتجاوز سعة بحيرة ميد بحوالي 40%. يظهر UCRB ارتباطًا قويًا (R = 0.80) بين شذوذات TWS ومؤشر مراقبة الجفاف الأمريكي، مع فترات جفاف ملحوظة وذروات في TWS مرتبطة بأحداث هطول الأمطار في 2005 و2010 و2015 و2019 و2023.
على النقيض من ذلك، يظهر LCRB نمط جفاف أكثر استمرارية وانخفاضًا تدريجيًا في TWS بعد عام 2011، مع ارتباط أضعف (R = 0.68) بمؤشر الجفاف. تظهر اتجاهات تخزين الخزانات انخفاضًا قدره -4.9 كم³ في بحيرة باول و-9.7 كم³ في بحيرة ميد خلال نفس الفترة، مع ارتباط ضعيف (r = 0.4) بين تغييرات تخزين الخزانات. كانت تغييرات تخزين رطوبة التربة أكبر في UCRB (-5.7 كم³) مقارنة بـ LCRB (-2.4 كم³). يمكن أن يُعزى الاستنزاف الكلي لـ TWS في UCRB إلى حد كبير إلى تغييرات الخزانات ورطوبة التربة، بينما يشير الاستنزاف الكبير في LCRB البالغ 45 كم³ إلى استنزاف كبير للمياه الجوفية بسبب الضخ وتقليل إعادة الشحن خلال ظروف الجفاف.
المناقشة
تقدم فقرة المناقشة في البحث تحليلًا شاملًا لاستخدام المياه وديناميات المياه الجوفية (GW) في أحواض نهر كولورادو العليا والسفلى (UCRB وLCRB) من 2000 إلى 2020. بلغ متوسط سحب المياه 3.0 كم³/سنة في UCRB و7.2 كم³/سنة في LCRB، مدفوعًا بشكل أساسي بالري، الذي شكل 95% من إجمالي استخدام المياه في UCRB و77% في LCRB. كانت المياه السطحية (SW) المصدر الرئيسي للري في UCRB، بينما تم استخدام كل من SW وGW في LCRB. يسلط البحث الضوء على اتجاه مستقر في استخدام المياه على مدى العقدين الماضيين، مع بقاء كفاءة الري منخفضة، مما يشير إلى عودة كبيرة للمياه إلى نهر كولورادو وإعادة شحن المياه الجوفية في LCRB. كشفت مراقبة مستوى المياه الجوفية عن تباين مكاني كبير، حيث شهدت المناطق ذات الاستخدام العالي للمياه الجوفية انخفاضات كبيرة، بينما أظهرت المناطق التي تتلقى مياه نهر كولورادو ارتفاعًا في المستويات.
تشير نماذج المياه الجوفية الإقليمية إلى أنه من 1940 إلى 2020، بلغ إجمالي ضخ المياه الجوفية حوالي 260 كم³، مما يتجاوز بكثير الاستنزاف المقدر للتخزين البالغ 65 كم³. يُعزى هذا التباين إلى تسرب الجداول وتقليل التبخر كـ GW مستويات انخفضت. تشير التوقعات للقرن المقبل إلى انخفاضات كبيرة في مستويات المياه الجوفية، لا سيما في مناطق إدارة النشاط في فينيكس وبينال (AMAs)، مع توقع أن تصل الطلبات غير الملباة إلى 4% و10% من إجمالي الطلب المتوقع، على التوالي. يؤكد البحث على الحاجة إلى استراتيجيات إدارة تكيفية لمواجهة التحديات التي تطرحها الظروف المناخية المتطرفة ونقص المياه، بما في ذلك تقليل الطلب، وتخزين المياه، وتحسين البنية التحتية لتعزيز مرونة إمدادات المياه في المنطقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s43247-025-02149-9
Publication Date: 2025-03-18
Author(s): Bridget R. Scanlon et al.
Primary Topic: Geophysics and Gravity Measurements
Overview
This research paper section examines the dynamics of water resource management in the Colorado River Basin, particularly in light of prolonged drought conditions and the over-allocation of water resources. Utilizing data from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellites, the study reveals that the Lower Basin has experienced significant water storage losses, accounting for 80% of the total decline, which exceeds the capacity of Lake Mead by 40%. Groundwater depletion is identified as a major contributor, with hotspots showing cumulative declines of up to 11 meters from 2002 to 2023. The analysis highlights the historical context of groundwater depletion from the 1940s to the 1970s, followed by partial recovery due to irrigation reductions and wet climate cycles.
The findings underscore the critical role of managed aquifer recharge (MAR) and incidental recharge in stabilizing groundwater levels in Central Arizona, where an average rise of 3 meters has been observed since 2000. However, projected reductions in Colorado River water transfers pose a risk of renewed depletion and land subsidence, particularly in basins reliant solely on groundwater. The study advocates for the conjunctive use of surface water and groundwater, emphasizing the need for adaptive management strategies to ensure sustainable water resource use in the face of climate change and increasing demand. Overall, the research highlights Arizona’s vulnerabilities and the necessity for innovative management practices to mitigate future water shortages.
Methods
In this study, total water storage anomalies (TWSA) were derived from satellite data provided by the GRACE and GRACE-FO missions, utilizing data from three processing centers: The University of Texas Center for Space Research (CSR), NASA Jet Propulsion Lab (JPL), and the German Research Centre for Geosciences (GFZ). The analysis spanned from April 2002 to June 2024, employing the latest GRACE release (RL06). Each center followed a consistent processing protocol, which included adjustments to the C20 and C30 coefficients using satellite laser ranging, optimization of geocenter motion coefficients, and corrections based on the ICE6G-D model for glacial isostatic adjustments.
To analyze TWSA, a basin-weighted average was computed as a raw time series, with gaps addressed through Bayesian state space models. The time series components were parameterized, and 20,000 samples were generated using a Markov Chain Monte Carlo (No-U-turn sampler) approach. The median of the posterior distributions was combined to create a gap-free TWSA from 2002 to 2024. Long-term TWS anomalies were calculated using Seasonal Trend Decomposition (STL), and the ensemble mean and standard deviation were derived from the anomalies across all three solutions. Additionally, groundwater storage anomalies (GWSA) were estimated by subtracting changes in reservoir and soil moisture storage from TWSA, with soil moisture data sourced from the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) models.
Results
The results indicate that the Upper Colorado River Basin (UCRB) experiences higher precipitation and runoff compared to the Lower Colorado River Basin (LCRB), with naturalized flow at Lees Ferry averaging 15.8 km³/yr from 2002 to 2024. Analysis of Total Water Storage (TWS) using GRACE data reveals a decline of 11 km³ in the UCRB, significantly less than the 45 km³ depletion observed in the LCRB, which exceeds the capacity of Lake Mead by approximately 40%. The UCRB demonstrates a strong correlation (R = 0.80) between TWS anomalies and the US Drought Monitor index, with notable drought periods and peaks in TWS associated with precipitation events in 2005, 2010, 2015, 2019, and 2023.
In contrast, the LCRB exhibits a more persistent drought pattern and a gradual TWS decline post-2011, with a weaker correlation (R = 0.68) to the drought index. Reservoir storage trends show a decline of -4.9 km³ in Lake Powell and -9.7 km³ in Lake Mead over the same period, with poor correlation (r = 0.4) between the two reservoirs’ storage changes. Soil moisture storage changes were greater in the UCRB (-5.7 km³) compared to the LCRB (-2.4 km³). The overall TWS depletion in the UCRB can largely be attributed to reservoir and soil moisture changes, while the LCRB’s significant depletion of 45 km³ suggests substantial groundwater depletion due to pumping and reduced recharge during drought conditions.
Discussion
The discussion section of the research paper provides a comprehensive analysis of water use and groundwater (GW) dynamics in the Upper and Lower Colorado River Basins (UCRB and LCRB) from 2000 to 2020. Water withdrawal averaged 3.0 km³/yr in the UCRB and 7.2 km³/yr in the LCRB, predominantly driven by irrigation, which constituted 95% of total water use in the UCRB and 77% in the LCRB. Surface water (SW) was the primary source for irrigation in the UCRB, while both SW and GW were utilized in the LCRB. The study highlights a stable trend in water use over the past two decades, with irrigation efficiency remaining low, indicating significant water return to the Colorado River and groundwater recharge in the LCRB. Groundwater level monitoring revealed substantial spatial variability, with areas of high GW use experiencing significant declines, while regions receiving Colorado River water showed rising levels.
The regional groundwater models indicate that from 1940 to 2020, GW pumpage totaled approximately 260 km³, significantly exceeding the estimated storage depletion of 65 km³. This discrepancy is attributed to stream leakage and reduced evapotranspiration as GW levels dropped. Projections for the next century suggest substantial declines in GW levels, particularly in the Phoenix and Pinal Active Management Areas (AMAs), with unmet demands anticipated to reach 4% and 10% of total projected demand, respectively. The paper emphasizes the need for adaptive management strategies to address the challenges posed by climate extremes and water scarcity, including demand reduction, water banking, and infrastructure improvements to enhance the resilience of water supplies in the region.