在丰水年份捕捉洪水可能有助于加州在干旱年份中生存

“17号公路封闭了，天际线公路封闭了，9号公路封闭了，152号公路也封闭了，”我的妈妈在加州圣何塞的一家餐厅告诉我，她报出旧金山湾区和太平洋海岸之间的高速公路名称，我计划第二天早上开车去那里。去年冬天的暴雨使加州的山坡变得非常潮湿，以至于它们滑落到道路上，切断了社区的联系。在2016年10月至2017年2月期间，该州的季节性年平均降水量大约翻了一番。在萨克拉门托以北，由于奥罗维尔大坝溢流，188,000多人被迫撤离家园，溢洪道被冲刷出一个巨大的坑洞，并威胁到释放该州最大的水库之一。“我不记得见过这种情况，”我的妈妈说，她也像数百万长期居住在加州的人一样感到惊讶。

这与前五年的情况发生了令人眩晕的逆转，那时，该州有时有100%的地区处于干旱状态。空荡荡的水库和棕色的草坪营造出一种潜意识的鼓点：稀缺、稀缺、稀缺。恐惧是显而易见的：我们还能继续住在这里吗？我们能供养新的居民吗？我们应该继续为世界种植粮食吗？洪水最初带来了缓解，然后是不安情绪的增长。但是，仍然受到多年匮乏创伤的加州水资源管理者看到了机会。他们想知道：我们能否捕捉所有这些多余的水，并将其储存起来以备下次干旱之需？

这个问题反映了一个新的现实。尽管加州历史上一直在干旱和洪水之间循环，但科学家表示，气候变化正在使这两个阶段都变得更加强烈。此外，气温升高已经减少了内华达山脉的积雪，预计将减少高达90%，这预示着麻烦。该州大部分降水发生在冬季；夏季通常干燥。平均而言，积雪供应加州人类用水量的30%，在春季和夏季缓慢融化，而这正是最需要水的时候。而在未来，预计降雪将变成降雨，在冬季造成更大的洪水，在夏季造成更少的水供应。快速的人口增长使这些更剧烈的波动变得更加复杂：更多的人居住在洪水的路径中，并在干旱期间需要水。水资源管理者知道他们必须改变策略。

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在全球范围内，不断变化的降水模式和不断增长的人口正在迫使人们适应。数百万依靠积雪和涓涓细流的冰川为生的人们——居住在喜马拉雅山脉周围的亚洲人、阿尔卑斯山脉沿线的欧洲人、安第斯山脉附近的南美洲人——也将需要新的方法来捕捉洪水，以保护基础设施并储存水以备后用。

在加州，与其他地方一样，新的水库无法解决问题。“我们已经拦坝了大部分河流，”州水资源控制委员会主席费利西亚·马库斯说。但是地下有大量的空间。含水层——大型蓄水层——已被农民从越来越深的井中抽取而耗尽，其容量是加州1400个水库的10倍。而且，地下储水相对便宜，约为建造水库成本的五分之一。科学、农业、保护和公共政策领域的一群有远见的人正在设计在空前规模上积极储存地下水的方法，以减少洪水破坏，同时增加储量。

冬季洪水和春季融水曾经蔓延到中央山谷，缓慢地渗入含水层，滋养着河岸森林和季节性水塘，这些水塘养育着密集的鲑鱼洄游、麋鹿、灰熊和成群的鸟类。这一切在20世纪发生了变化，当时加州可以说是水利工程傲慢的顶峰。大型水坝、水库、渡槽、运河、堤坝和水泵改变了整个州的管道系统，并造成了无数意想不到的后果。这种密集的 инфраструктура 使现代加州成为可能，但最近的干旱和洪水暴露了这个系统在应对当前现实方面的准备不足。一个关键的弱点是，为了保护城市和农场，工程师们将河流与洪泛区隔离开来，大大减少了含水层的补给。

现在，管理者和工程师们正在寻求在某种程度上回归自然的方式，允许土地以受控的方式被淹没。实施这一愿景将需要改变长期以来在加州水资源利用中表现出的功能失调的“我的！我的！”文化。已经有行动的迹象。2014年通过的一项开创性的州法律将更谨慎的管理责任放在地方用水户身上，在建立全州愿景的同时，允许地方灵活性。同样，与大型水利工程背道而驰，新的方法将是在各个流域开展数千个基层补给项目的拼凑。

为此，科学家和地方管理者正在运行试点项目，以研究如何利用每个地点独特的水文、土地利用和财务核算。他们正在寻找可以服务于多个主体的解决方案——例如，在不损害作物且有益于野生动物的情况下，淹没农田以补充含水层。

世界各地的干旱地区都在密切关注彼此的水资源创新：以色列开发的滴灌技术，澳大利亚对水权和交易的彻底改革。这是加州的行动。

抽水的幻象

成功的项目始于纠正对基本水文的长期误解。今年四月，在经历了四个月的暴雨之后，加州的干旱已经退缩到仅占该州9%的地区，州长杰里·布朗宣布干旱结束。但是，“这是一种以地表水为中心来看待它的方式，”自然保护协会（TNC）加州水项目副主任桑迪·松本说。含水层和其上方的湖泊、河流和小溪实际上是相同的水，通过重力和水压错综复杂地联系在一起。松本说，事实是，即使加州的地表水今年看起来已经得到补充，但由于农民和市政当局几十年来积极抽取地下水，含水层仍然非常枯竭。“即使不是半个世纪，我们也需要几十年的时间才能从我们所做的事情中恢复过来，”她说。

地下水，称为地下水，在干旱年份满足该州约60%的需求，在平均年份满足30%的需求。这两种比率都是不可持续的，因为渗入地下以恢复地下水的地表水无法跟上。根据2015年NASA卫星数据的研究，地球上超过一半的最大含水层已经超过了临界点。

这是令人担忧的，因为大部分抽取的水都帮助农民填满了世界的粮仓。如果这些土地因地下水枯竭而休耕，那将是灾难性的，因为联合国粮食及农业组织估计，我们需要增加全球粮食产量70%，才能养活预计到2050年的91亿人口。

一个多世纪以来，加州只管理其地表水。相比之下，地下水是一种财产权：你可以在你的土地上挖井，抽取你所需的所有水，而不用考虑这会对你邻居的供应产生什么影响。这种管理上的分裂将地表水和地下水视为两种独立的资源，即使一个充满水的含水层可以在旱季帮助维持河流的流量，而当地下水位下降时，河水可以渗入地下以补充它。

因此，抽取下沉的含水层可能会耗尽地表水，而这正是促使农民和城市首先抽取地下水的问题。加州大学戴维斯分校综合水文科学教授海伦·E·达尔克说，在圣华金谷，有些地方的地下水位已经下降到如此深的地下，以至于它们实际上已经与曾经与它们交换水流的溪流断开了联系。这种断开也通过使湿地、渗水处和泉水干涸而损害了水生生物。地下水补给可以使一些含水层重新与河流连接起来，使整个水文系统更具弹性。马库斯说，这些多重好处是“我们未来生存的方式”，“而不是我们每个人都在为自己的那份水分子而战。”

这种精神使加州的新测试项目与早期将含水层视为水银行的储存方法区分开来：如果你存入一笔钱，你就会得到等额的提款。问题是，水不一定会留在整洁的地下盆地中等待在需要时被抽出。为了使该州的新愿景成为现实，人们将不得不将他们对水的所有权概念转变为更具公共性的东西。加州公共政策研究所（PPIC）水政策中心的西班牙裔研究员阿尔瓦·埃斯克里瓦-布说，例如，西班牙已经证明了这种思维方式。

革命性的妥协

在最近的干旱之前，加州的水权被认为是政治上不可侵犯的，干旱引发的恐慌性抽水打开了一扇门。经过数十年的努力，州议会通过了一个世纪以来最重要的水资源改革：《2014年可持续地下水管理法》（SGMA），发音为“SIG-ma”。该法案规定在地下水盆地的层面上进行管理——三维区域，包括地表水和下方的可渗透含水层。加州有515个盆地，但其中只有127个盆地占地下水抽水量的96%，因此该州已优先考虑对它们进行更好的管理。每个盆地都必须成立一个地下水可持续性机构，在2022年之前制定地下水可持续性计划，并在2040年之前可持续地管理地下水。斯坦福大学“西部水资源”项目负责可持续地下水工作的塔拉·莫兰说，这个目标具有挑战性，因为大多数盆地都缺乏健全的数据收集。

SGMA规则通过要求城市和灌溉区停止耗尽地下水来鼓励补给。“大多数地下水可持续性机构宁愿进行地下水补给，也不愿限制抽水，”西部水资源项目的博士后研究员埃丝特·康拉德说，她一直在参加全州各地的地方水务会议。

为了获得启发，这些机构可以借鉴几十年前不得不应对问题盆地的社区。其中之一是圣克拉拉谷，今天被称为硅谷。在19世纪和20世纪，它被称为“心之喜悦之谷”，这是对其核果果园——布伦海姆杏、冰樱桃、伯班克李子的致敬。为了在干燥的夏季保持作物的活力，农民们热情地抽取地下水。这种欢呼是短暂的。在1890年至1920年间，水位骤降，地表下沉。圣何塞市中心下沉了13英尺。

当地领导人决定尝试通过捕捉原本会冲过小溪和河流流入海洋的大量水流来重新填满含水层。就像海狸筑坝拦住溪流形成水池一样，人类工程师在洛斯加托斯的佩奇溪上建造了部分墙壁，使用了装满泥土的粗麻布袋。这些结构在小溪边形成了池塘，让水有时间渗入地下。随后是土坝，例如横跨洛斯加托斯溪的34英尺高的瓦索纳渗透坝。暴雨可能会淹没大坝周围的城镇公园，允许额外的补给，而不会威胁到房屋或企业。水利工程阻止了地面沉降和地下水位下降。但是，第二次世界大战后及之后，山谷的人口激增，该地区需要的水比生态系统自然提供的水更多。它建造了管道，连接到州和联邦政府建造的大型运河，将加利福尼亚州北部的水向南输送，确保了额外的份额。

今天，圣克拉拉谷水务区受益于补给盆地——人们沿着90多英里长的当地小溪建造的屏障，这些屏障将减缓湍急的水流，使其膨胀河岸并渗入地下。该区还拥有额外的300英亩独立渗透池塘，当附近的小溪水位较高时，这些池塘会充满从附近小溪用管道输送来的水。补给在最近的干旱期间真正显示了它的价值；2014年，即使州内的缺水情况很严重，地下水也提供了该县51%的用水量。

顺应水流

关于广泛的地下水补给，一个显而易见的问题是，水将从哪里来？“大多数人的[水权]许可证都是用于种植和生长季节，”马库斯解释说。“冬季有大量多余的水。”达尔克今年7月发表的一项研究证实，有足够的水来重新供应中央山谷的含水层。

挑战在于当水倾泻而下时，将其转移到可以被地下吸收的地方。在加州，冬季北部降水较多，夏季南部用水较多。然而，从北部开始并为南部灌溉系统供水的大型工程运河和渡槽在冬季利用率不足，因为需要灌溉的种植者较少。基础设施可以将多余的冬季水输送到南部农田进行补给，而不是让其流入海洋。

另一种可能性是反向银行。PPIC水政策中心主任艾伦·哈纳克说，与缺水地区相比，萨克拉门托河周围的农场等水资源丰富的地区可以在丰水年份抽取地下水来灌溉农作物，并通过基础设施将其地表水向南输送，以补充那里缺水的含水层。但是，核算将很棘手。管理者仍然需要制定补偿技术，然后这种做法才能普及。

哈纳克说，捕捉多余的冬季水也很困难，“因为一切都已饱和，每个水库都已满”。但是，一些地段已经设置为充当泄洪阀，扩大它们的面积可以允许在那儿进行补给，或者充当短期储存，直到管道或其他结构可以将水转移到更远处的储存地点以重新注满。为了了解这可能是什么样子，我在二月份前往萨克拉门托-圣华金三角洲，那里是北部和南部两条强大的河流交汇、蜿蜒并最终流入旧金山湾的地方。一个多世纪以来，个别农民通过推高土堤来改造这片沼泽景观，创造了免受河流洪水侵袭的农田。

当我到达时，我在科森斯河保护区的奥内托-德尼尔修复点遇到了加州大学默塞德分校的流域科学家乔什·维尔斯。来自TNC的两名专家加入了我们，其中包括该项目的主管犹大·格罗斯曼。我们走在土堤上，两侧是三到六英尺深的洪水。河谷橡树、三角叶杨和灌木丛从我们附近的水中升起。远处是被淹没的田野，TNC正在将其恢复为原生栖息地。这次洪水得到了加强，因为工程师在2014年拆除了750英尺的堤坝，以帮助科森斯河在其水位高涨时填满其洪泛区的这一部分。

去年冬天是对拆除工程的第一次真正考验。加州大学戴维斯分校流域科学中心的地下水文地质学家格雷厄姆·福格设置了仪器来测量地下水补给情况。当洪水退去时，福格的学生计算出，洪水的地下水补给量是雨水和灌溉的典型补给量的三倍多。被淹没的区域相对较小，只有大约285英亩，但去年冬天的暴风雨重新供应了超过2000英亩英尺的水。在上游，这项工作已经激励人们开始类似的项目。在附近的一个地点，维尔斯还在研究本地鱼类如何从这种类型的洪泛区栖息地中受益。

耕种水资源

由于中央山谷的大部分地区现在都已耕种，科学家们正在研究如何安全地淹没农田。一个良好的农业补给地点具有多种特性，包括相当平坦的表面，以便水可以均匀地渗入；可渗透的土壤，可以快速地将水转移到地下；以及相对没有盐、农药或养分的土壤，这些物质可能会污染地下水。在种植者加入之前，他们需要确保在精心安排的时间施用于田地的水不会损害他们的土地或作物。

加州大学戴维斯分校的达尔克正在进行测试性洪水，以测量植物和根系的健康状况、水的渗透率以及盐和硝酸盐的水平。在加州北部斯科特谷的一块紫花苜蓿田中，她在三到四英亩的测试区以不同的频率施水：每周一到两天，每周三到四天，或从二月到四月连续施水。在整个冬季在整个15英亩田地进行的试验中，她补给了约135英亩英尺的水。“超过90%的施用水都渗入了深层，”她说。而且紫花苜蓿的产量没有受到影响。一个意想不到的额外好处：洪水冲走了囊地鼠，达尔克笑着说，它们“真的很喜欢吃紫花苜蓿”。

她正在工作农场上测试其他作物，包括杏仁，尽管传统的观点认为杏仁对根部积水很敏感。在冬季和早春的刻意淹没之后，开花的开始以及出叶的时间与相邻的未淹没果园一致。“这已经是一个好迹象，”达尔克说。

防止养分和农药进入补给的地下水是另一个挑战。加州大学戴维斯分校的另一位水文地质学家托马斯·哈特说，这将需要错开施肥时间和洪水时间，“这样你就不会在这个过程中制造怪物”，他曾与人合著了一份关于地下水污染的开创性州报告。

一位种植者一直走在科学家们的前面，他的灵感来自于他注意到，邻近的葡萄园在1983年的暴雨过后被淹没了几个月，但仍然获得了丰收。唐·卡梅伦管理着特拉诺瓦牧场，这是一个占地7000英亩的农场，位于弗雷斯诺西南部的圣华金谷，种植着25种不同的传统和有机作物，几乎完全依靠地下水。在2011年和今年冬天，当地的国王河水协会允许卡梅伦使用其成员未使用的洪水。他通过运河将其输送到休耕地和那些种满紫花苜蓿、酿酒葡萄、核桃、杏仁和开心果的土地。它奏效了：作物没有受到损害，一家工程公司安装的传感器显示，至少70%的水流过了植物的根区，到达了含水层。州和联邦政府的拨款正在允许特拉诺瓦牧场增加运河和水泵，以便将来可以淹没其全部耕地。

希望效仿卡梅伦做法的农民在获取冬季用水方面可能会面临更多困难。在大多数地方，农民将需要许可证，而获得许可证是一个漫长的过程。部分延误是由于过时的数据。“有关水权的信息包含在州水资源控制委员会储存的1000万份纸质文件中，并分散在全州58个县的法院中，”加州大学伯克利分校法学院惠勒水务研究所所长迈克尔·基帕尔斯基说。水权在数字文化中心停留在纸面上并非偶然。权利持有人倾向于认为，其他人对他们的用水量了解得越少越好。基帕尔斯基和加州伯克利水务和电力法律集团的理查德·罗斯-柯林斯现在正在与州政府合作开发一个数据库，这将使区域水务委员会更容易查找特定河流的水权，并了解在考虑新许可证时哪些水已经被占用——或未被占用。

有利可图

其他创新者正在通过付费让农民参与地下水储存来促进这一进程。去年九月的一个阳光明媚、晴朗的日子里，我与松本和TNC加州候鸟项目首席科学家马克·雷诺兹一起参观了位于萨克拉门托西北部克纳格斯牧场的一个被淹没的休耕地。从连接到附近萨克拉门托河的灌溉管道中汩汩流出的水在129英亩的土地上创造了一种“即时栖息地：只需加水”的效果，吸引了鸟类、昆虫和青蛙。一群鹬飞掠而过，准备降落。肥胖的橙棕色蜻蜓嗡嗡飞过，一群壮观的沙丘鹤从头顶飞过。

候鸟 60% 的需求依赖于被淹没的农田。但是，由于它们只是过境，因此鸟类只需要水几周时间。克纳格斯牧场的洪水是 TNC 称为“鸟类归来”计划的一部分，该计划从农民那里租用迁徙路线栖息地，并在秋季和春季迁徙季节将其淹没两周。“这是一个 Airbnb 的想法，”雷诺兹说。

TNC 正在扩大其计划，现在与严重枯竭的含水层上方的农民合作。例如，去年秋天，对一片 206 英亩的稻田进行淹没（收获后）帮助默塞德灌溉区补充了估计 180 至 250 英亩英尺的地下水，使用的是其已经持有的冬季用水许可证。TNC 保守地估计，“鸟类归来”计划在四年内已补充了约 20,000 英亩英尺的水。

在沿海地区，加州大学圣克鲁兹分校的水文地质学家安德鲁·费舍尔提出了另一种创造性的解决方案，即为农民的补给付费。二月下旬晚些时候，我开车前往他在圣克鲁兹以南帕哈罗谷的试点项目，听从了我妈妈的建议，绕过该地区的冲毁区，走 129 号高速公路。这里的绵延丘陵和农田为世界各地供应朝鲜蓟、浆果和绿叶蔬菜。但是地表水很少；种植者几乎完全依赖抽取的地下水。在 1980 年代，过度抽取地下水已经是一个大问题，因此州政府成立了帕哈罗谷水务管理局，并授权管理者向用水户收取抽取地下水的费用。这笔钱用于建造和管理基础设施，以改善供水和水质，并满足环境和法律法规。

费舍尔的项目将来自田地和周围丘陵的过量雨水转移到一个 4 英亩的补给盆地中。去年冬天，他的团队记录了约 140 英亩英尺的渗透量。储存使农民能够获得抵免其未来地下水抽取费用的积分，就像公用事业公司向安装屋顶太阳能电池板的客户支付积分，以补偿他们输送到电网的剩余电力一样。

根据费舍尔的建议，帕哈罗谷水务管理局向种植者支付 50% 渗透率的积分，这是一个谨慎的数字，用于解释在没有他们努力的情况下本应渗入的水，以及“损失”在地下更广泛水文系统中的渗透水。“与其争论谁拥有水，为什么我们不根据水文效益来宣称胜利呢？”费舍尔问道。“这是每个人的水，因为它进入了每个人都在从中抽水的盆地。每个人都赢了。”

由于这种集体精神在加州充满争议的水资源场景中一直是一个例外，因此运行这些试点项目的人们预计会遇到阻力。但他们错了。“有兴趣的人比我们能处理的要多得多，”费舍尔说。在“鸟类归来”计划中，最初的犹豫不决在早期采用者的口碑在社区中传开后就消失了。松本说，四年后，该项目收到的投标数量是其可以使用的两倍。

这些成功的早期项目表明，地下水补给可以带来多重好处，它们的成功鼓励其他人效仿。它们还表明，如果有什么可以改变功能失调的水文化，那就是社区赋权。“水文地质学既要了解人，也要了解科学，”哈特说。“如果社区能够掌握这个想法的所有权，他们会更加开放。”除了 SGMA 实际管理地下水的压力外，这些创新者还揭示了稀缺文化可以演变成更全面的文化，城市、农场和自然界都有足够的水。