在豐水年份捕捉洪水可能有助於加州在乾旱年份中生存

“17號公路封閉了，天際線公路封閉了，9號公路封閉了，152號公路也封閉了，”我的媽媽在加州聖何塞的一家餐廳告訴我，她報出舊金山灣區和太平洋海岸之間的高速公路名稱，我計劃第二天早上開車去那裡。去年冬天的暴雨使加州的山坡變得非常潮溼，以至於它們滑落到道路上，切斷了社群的聯絡。在2016年10月至2017年2月期間，該州的季節性年平均降水量大約翻了一番。在薩克拉門託以北，由於奧羅維爾大壩溢流，188,000多人被迫撤離家園，溢洪道被沖刷出一個巨大的坑洞，並威脅到釋放該州最大的水庫之一。“我不記得見過這種情況，”我的媽媽說，她也像數百萬長期居住在加州的人一樣感到驚訝。

這與前五年的情況發生了令人眩暈的逆轉，那時，該州有時有100%的地區處於乾旱狀態。空蕩蕩的水庫和棕色的草坪營造出一種潛意識的鼓點：稀缺、稀缺、稀缺。恐懼是顯而易見的：我們還能繼續住在這裡嗎？我們能供養新的居民嗎？我們應該繼續為世界種植糧食嗎？洪水最初帶來了緩解，然後是不安情緒的增長。但是，仍然受到多年匱乏創傷的加州水資源管理者看到了機會。他們想知道：我們能否捕捉所有這些多餘的水，並將其儲存起來以備下次乾旱之需？

這個問題反映了一個新的現實。儘管加州歷史上一直在乾旱和洪水之間迴圈，但科學家表示，氣候變化正在使這兩個階段都變得更加強烈。此外，氣溫升高已經減少了內華達山脈的積雪，預計將減少高達90%，這預示著麻煩。該州大部分降水發生在冬季；夏季通常乾燥。平均而言，積雪供應加州人類用水量的30%，在春季和夏季緩慢融化，而這正是最需要水的時候。而在未來，預計降雪將變成降雨，在冬季造成更大的洪水，在夏季造成更少的水供應。快速的人口增長使這些更劇烈的波動變得更加複雜：更多的人居住在洪水的路徑中，並在乾旱期間需要水。水資源管理者知道他們必須改變策略。

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在全球範圍內，不斷變化的降水模式和不斷增長的人口正在迫使人們適應。數百萬依靠積雪和涓涓細流的冰川為生的人們——居住在喜馬拉雅山脈周圍的亞洲人、阿爾卑斯山脈沿線的歐洲人、安第斯山脈附近的南美洲人——也將需要新的方法來捕捉洪水，以保護基礎設施並儲存水以備後用。

在加州，與其他地方一樣，新的水庫無法解決問題。“我們已經攔壩了大部分河流，”州水資源控制委員會主席費利西亞·馬庫斯說。但是地下有大量的空間。含水層——大型蓄水層——已被農民從越來越深的井中抽取而耗盡，其容量是加州1400個水庫的10倍。而且，地下儲水相對便宜，約為建造水庫成本的五分之一。科學、農業、保護和公共政策領域的一群有遠見的人正在設計在空前規模上積極儲存地下水的方法，以減少洪水破壞，同時增加儲量。

冬季洪水和春季融水曾經蔓延到中央山谷，緩慢地滲入含水層，滋養著河岸森林和季節性水塘，這些水塘養育著密集的鮭魚洄游、麋鹿、灰熊和成群的鳥類。這一切在20世紀發生了變化，當時加州可以說是水利工程傲慢的頂峰。大型水壩、水庫、渡槽、運河、堤壩和水泵改變了整個州的管道系統，並造成了無數意想不到的後果。這種密集的 инфраструктура 使現代加州成為可能，但最近的乾旱和洪水暴露了這個系統在應對當前現實方面的準備不足。一個關鍵的弱點是，為了保護城市和農場，工程師們將河流與洪泛區隔離開來，大大減少了含水層的補給。

現在，管理者和工程師們正在尋求在某種程度上迴歸自然的方式，允許土地以受控的方式被淹沒。實施這一願景將需要改變長期以來在加州水資源利用中表現出的功能失調的“我的！我的！”文化。已經有行動的跡象。2014年透過的一項開創性的州法律將更謹慎的管理責任放在地方用水戶身上，在建立全州願景的同時，允許地方靈活性。同樣，與大型水利工程背道而馳，新的方法將是在各個流域開展數千個基層補給專案的拼湊。

為此，科學家和地方管理者正在執行試點專案，以研究如何利用每個地點獨特的水文、土地利用和財務核算。他們正在尋找可以服務於多個主體的解決方案——例如，在不損害作物且有益於野生動物的情況下，淹沒農田以補充含水層。

世界各地的乾旱地區都在密切關注彼此的水資源創新：以色列開發的滴灌技術，澳大利亞對水權和交易的徹底改革。這是加州的行動。

抽水的幻象

成功的專案始於糾正對基本水文的長期誤解。今年四月，在經歷了四個月的暴雨之後，加州的乾旱已經退縮到僅佔該州9%的地區，州長傑裡·布朗宣佈乾旱結束。但是，“這是一種以地表水為中心來看待它的方式，”自然保護協會（TNC）加州水專案副主任桑迪·松本說。含水層和其上方的湖泊、河流和小溪實際上是相同的水，透過重力和水壓錯綜複雜地聯絡在一起。松本說，事實是，即使加州的地表水今年看起來已經得到補充，但由於農民和市政當局幾十年來積極抽取地下水，含水層仍然非常枯竭。“即使不是半個世紀，我們也需要幾十年的時間才能從我們所做的事情中恢復過來，”她說。

地下水，稱為地下水，在乾旱年份滿足該州約60%的需求，在平均年份滿足30%的需求。這兩種比率都是不可持續的，因為滲入地下以恢復地下水的地表水無法跟上。根據2015年NASA衛星資料的研究，地球上超過一半的最大含水層已經超過了臨界點。

這是令人擔憂的，因為大部分抽取的水都幫助農民填滿了世界的糧倉。如果這些土地因地下水枯竭而休耕，那將是災難性的，因為聯合國糧食及農業組織估計，我們需要增加全球糧食產量70%，才能養活預計到2050年的91億人口。

一個多世紀以來，加州只管理其地表水。相比之下，地下水是一種財產權：你可以在你的土地上挖井，抽取你所需的所有水，而不用考慮這會對你鄰居的供應產生什麼影響。這種管理上的分裂將地表水和地下水視為兩種獨立的資源，即使一個充滿水的含水層可以在旱季幫助維持河流的流量，而當地下水位下降時，河水可以滲入地下以補充它。

因此，抽取下沉的含水層可能會耗盡地表水，而這正是促使農民和城市首先抽取地下水的問題。加州大學戴維斯分校綜合水文科學教授海倫·E·達爾克說，在聖華金谷，有些地方的地下水位已經下降到如此深的地下，以至於它們實際上已經與曾經與它們交換水流的溪流斷開了聯絡。這種斷開也透過使溼地、滲水處和泉水乾涸而損害了水生生物。地下水補給可以使一些含水層重新與河流連線起來，使整個水文系統更具彈性。馬庫斯說，這些多重好處是“我們未來生存的方式”，“而不是我們每個人都在為自己的那份水分子而戰。”

這種精神使加州的新測試專案與早期將含水層視為水銀行的儲存方法區分開來：如果你存入一筆錢，你就會得到等額的提款。問題是，水不一定會留在整潔的地下盆地中等待在需要時被抽出。為了使該州的新願景成為現實，人們將不得不將他們對水的所有權概念轉變為更具公共性的東西。加州公共政策研究所（PPIC）水政策中心的西班牙裔研究員阿爾瓦·埃斯克裡瓦-布說，例如，西班牙已經證明了這種思維方式。

革命性的妥協

在最近的乾旱之前，加州的水權被認為是政治上不可侵犯的，乾旱引發的恐慌性抽水打開了一扇門。經過數十年的努力，州議會通過了一個世紀以來最重要的水資源改革：《2014年可持續地下水管理法》（SGMA），發音為“SIG-ma”。該法案規定在地下水盆地的層面上進行管理——三維區域，包括地表水和下方的可滲透含水層。加州有515個盆地，但其中只有127個盆地佔地下水抽水量的96%，因此該州已優先考慮對它們進行更好的管理。每個盆地都必須成立一個地下水可持續性機構，在2022年之前制定地下水可持續性計劃，並在2040年之前可持續地管理地下水。斯坦福大學“西部水資源”專案負責可持續地下水工作的塔拉·莫蘭說，這個目標具有挑戰性，因為大多數盆地都缺乏健全的資料收集。

SGMA規則透過要求城市和灌溉區停止耗盡地下水來鼓勵補給。“大多數地下水可持續性機構寧願進行地下水補給，也不願限制抽水，”西部水資源專案的博士後研究員埃絲特·康拉德說，她一直在參加全州各地的地方水務會議。

為了獲得啟發，這些機構可以借鑑幾十年前不得不應對問題盆地的社群。其中之一是聖克拉拉谷，今天被稱為矽谷。在19世紀和20世紀，它被稱為“心之喜悅之谷”，這是對其核果果園——布倫海姆杏、冰櫻桃、伯班克李子的致敬。為了在乾燥的夏季保持作物的活力，農民們熱情地抽取地下水。這種歡呼是短暫的。在1890年至1920年間，水位驟降，地表下沉。聖何塞市中心下沉了13英尺。

當地領導人決定嘗試透過捕捉原本會衝過小溪和河流流入海洋的大量水流來重新填滿含水層。就像海狸築壩攔住溪流形成水池一樣，人類工程師在洛斯加託斯的佩奇溪上建造了部分牆壁，使用了裝滿泥土的粗麻布袋。這些結構在小溪邊形成了池塘，讓水有時間滲入地下。隨後是土壩，例如橫跨洛斯加託斯溪的34英尺高的瓦索納滲透壩。暴雨可能會淹沒大壩周圍的城鎮公園，允許額外的補給，而不會威脅到房屋或企業。水利工程阻止了地面沉降和地下水位下降。但是，第二次世界大戰後及之後，山谷的人口激增，該地區需要的水比生態系統自然提供的水更多。它建造了管道，連線到州和聯邦政府建造的大型運河，將加利福尼亞州北部的水向南輸送，確保了額外的份額。

今天，聖克拉拉谷水務區受益於補給盆地——人們沿著90多英里長的當地小溪建造的屏障，這些屏障將減緩湍急的水流，使其膨脹河岸並滲入地下。該區還擁有額外的300英畝獨立滲透池塘，當附近的小溪水位較高時，這些池塘會充滿從附近小溪用管道輸送來的水。補給在最近的乾旱期間真正顯示了它的價值；2014年，即使州內的缺水情況很嚴重，地下水也提供了該縣51%的用水量。

順應水流

關於廣泛的地下水補給，一個顯而易見的問題是，水將從哪裡來？“大多數人的[水權]許可證都是用於種植和生長季節，”馬庫斯解釋說。“冬季有大量多餘的水。”達爾克今年7月發表的一項研究證實，有足夠的水來重新供應中央山谷的含水層。

挑戰在於當水傾瀉而下時，將其轉移到可以被地下吸收的地方。在加州，冬季北部降水較多，夏季南部用水較多。然而，從北部開始併為南部灌溉系統供水的大型工程運河和渡槽在冬季利用率不足，因為需要灌溉的種植者較少。基礎設施可以將多餘的冬季水輸送到南部農田進行補給，而不是讓其流入海洋。

另一種可能性是反向銀行。PPIC水政策中心主任艾倫·哈納克說，與缺水地區相比，薩克拉門託河周圍的農場等水資源豐富的地區可以在豐水年份抽取地下水來灌溉農作物，並透過基礎設施將其地表水向南輸送，以補充那裡缺水的含水層。但是，核算將很棘手。管理者仍然需要制定補償技術，然後這種做法才能普及。

哈納克說，捕捉多餘的冬季水也很困難，“因為一切都已飽和，每個水庫都已滿”。但是，一些地段已經設定為充當洩洪閥，擴大它們的面積可以允許在那兒進行補給，或者充當短期儲存，直到管道或其他結構可以將水轉移到更遠處的儲存地點以重新注滿。為了瞭解這可能是什麼樣子，我在二月份前往薩克拉門託-聖華金三角洲，那裡是北部和南部兩條強大的河流交匯、蜿蜒並最終流入舊金山灣的地方。一個多世紀以來，個別農民透過推高土堤來改造這片沼澤景觀，創造了免受河流洪水侵襲的農田。

當我到達時，我在科森斯河保護區的奧內託-德尼爾修復點遇到了加州大學默塞德分校的流域科學家喬什·維爾斯。來自TNC的兩名專家加入了我們，其中包括該專案的主管猶大·格羅斯曼。我們走在土堤上，兩側是三到六英尺深的洪水。河谷橡樹、三角葉楊和灌木叢從我們附近的水中升起。遠處是被淹沒的田野，TNC正在將其恢復為原生棲息地。這次洪水得到了加強，因為工程師在2014年拆除了750英尺的堤壩，以幫助科森斯河在其水位高漲時填滿其洪泛區的這一部分。

去年冬天是對拆除工程的第一次真正考驗。加州大學戴維斯分校流域科學中心的地下水文地質學家格雷厄姆·福格設定了儀器來測量地下水補給情況。當洪水退去時，福格的學生計算出，洪水的地下水補給量是雨水和灌溉的典型補給量的三倍多。被淹沒的區域相對較小，只有大約285英畝，但去年冬天的暴風雨重新供應了超過2000英畝英尺的水。在上游，這項工作已經激勵人們開始類似的專案。在附近的一個地點，維爾斯還在研究本地魚類如何從這種型別的洪泛區棲息地中受益。

耕種水資源

由於中央山谷的大部分地區現在都已耕種，科學家們正在研究如何安全地淹沒農田。一個良好的農業補給地點具有多種特性，包括相當平坦的表面，以便水可以均勻地滲入；可滲透的土壤，可以快速地將水轉移到地下；以及相對沒有鹽、農藥或養分的土壤，這些物質可能會汙染地下水。在種植者加入之前，他們需要確保在精心安排的時間施用於田地的水不會損害他們的土地或作物。

加州大學戴維斯分校的達爾克正在進行測試性洪水，以測量植物和根系的健康狀況、水的滲透率以及鹽和硝酸鹽的水平。在加州北部斯科特谷的一塊紫花苜蓿田中，她在三到四英畝的測試區以不同的頻率施水：每週一到兩天，每週三到四天，或從二月到四月連續施水。在整個冬季在整個15英畝田地進行的試驗中，她補給了約135英畝英尺的水。“超過90%的施用水都滲入了深層，”她說。而且紫花苜蓿的產量沒有受到影響。一個意想不到的額外好處：洪水沖走了囊地鼠，達爾克笑著說，它們“真的很喜歡吃紫花苜蓿”。

她正在工作農場上測試其他作物，包括杏仁，儘管傳統的觀點認為杏仁對根部積水很敏感。在冬季和早春的刻意淹沒之後，開花的開始以及出葉的時間與相鄰的未淹沒果園一致。“這已經是一個好跡象，”達爾克說。

防止養分和農藥進入補給的地下水是另一個挑戰。加州大學戴維斯分校的另一位水文地質學家托馬斯·哈特說，這將需要錯開施肥時間和洪水時間，“這樣你就不會在這個過程中製造怪物”，他曾與人合著了一份關於地下水汙染的開創性州報告。

一位種植者一直走在科學家們的前面，他的靈感來自於他注意到，鄰近的葡萄園在1983年的暴雨過後被淹沒了幾個月，但仍然獲得了豐收。唐·卡梅倫管理著特拉諾瓦牧場，這是一個佔地7000英畝的農場，位於弗雷斯諾西南部的聖華金谷，種植著25種不同的傳統和有機作物，幾乎完全依靠地下水。在2011年和今年冬天，當地的國王河水協會允許卡梅倫使用其成員未使用的洪水。他透過運河將其輸送到休耕地和那些種滿紫花苜蓿、釀酒葡萄、核桃、杏仁和開心果的土地。它奏效了：作物沒有受到損害，一家工程公司安裝的感測器顯示，至少70%的水流過了植物的根區，到達了含水層。州和聯邦政府的撥款正在允許特拉諾瓦牧場增加運河和水泵，以便將來可以淹沒其全部耕地。

希望效仿卡梅倫做法的農民在獲取冬季用水方面可能會面臨更多困難。在大多數地方，農民將需要許可證，而獲得許可證是一個漫長的過程。部分延誤是由於過時的資料。“有關水權的資訊包含在州水資源控制委員會儲存的1000萬份紙質檔案中，並分散在全州58個縣的法院中，”加州大學伯克利分校法學院惠勒水務研究所所長邁克爾·基帕爾斯基說。水權在數字文化中心停留在紙面上並非偶然。權利持有人傾向於認為，其他人對他們的用水量了解得越少越好。基帕爾斯基和加州伯克利水務和電力法律集團的理查德·羅斯-柯林斯現在正在與州政府合作開發一個數據庫，這將使區域水務委員會更容易查詢特定河流的水權，並瞭解在考慮新許可證時哪些水已經被佔用——或未被佔用。

有利可圖

其他創新者正在透過付費讓農民參與地下水儲存來促進這一程序。去年九月的一個陽光明媚、晴朗的日子裡，我與松本和TNC加州候鳥專案首席科學家馬克·雷諾茲一起參觀了位於薩克拉門託西北部克納格斯牧場的一個被淹沒的休耕地。從連線到附近薩克拉門託河的灌溉管道中汩汩流出的水在129英畝的土地上創造了一種“即時棲息地：只需加水”的效果，吸引了鳥類、昆蟲和青蛙。一群鷸飛掠而過，準備降落。肥胖的橙棕色蜻蜓嗡嗡飛過，一群壯觀的沙丘鶴從頭頂飛過。

候鳥 60% 的需求依賴於被淹沒的農田。但是，由於它們只是過境，因此鳥類只需要水幾周時間。克納格斯牧場的洪水是 TNC 稱為“鳥類歸來”計劃的一部分，該計劃從農民那裡租用遷徙路線棲息地，並在秋季和春季遷徙季節將其淹沒兩週。“這是一個 Airbnb 的想法，”雷諾茲說。

TNC 正在擴大其計劃，現在與嚴重枯竭的含水層上方的農民合作。例如，去年秋天，對一片 206 英畝的稻田進行淹沒（收穫後）幫助默塞德灌溉區補充了估計 180 至 250 英畝英尺的地下水，使用的是其已經持有的冬季用水許可證。TNC 保守地估計，“鳥類歸來”計劃在四年內已補充了約 20,000 英畝英尺的水。

在沿海地區，加州大學聖克魯茲分校的水文地質學家安德魯·費舍爾提出了另一種創造性的解決方案，即為農民的補給付費。二月下旬晚些時候，我開車前往他在聖克魯茲以南帕哈羅谷的試點專案，聽從了我媽媽的建議，繞過該地區的沖毀區，走 129 號高速公路。這裡的綿延丘陵和農田為世界各地供應朝鮮薊、漿果和綠葉蔬菜。但是地表水很少；種植者幾乎完全依賴抽取的地下水。在 1980 年代，過度抽取地下水已經是一個大問題，因此州政府成立了帕哈羅谷水務管理局，並授權管理者向用水戶收取抽取地下水的費用。這筆錢用於建造和管理基礎設施，以改善供水和水質，並滿足環境和法律法規。

費舍爾的專案將來自田地和周圍丘陵的過量雨水轉移到一個 4 英畝的補給盆地中。去年冬天，他的團隊記錄了約 140 英畝英尺的滲透量。儲存使農民能夠獲得抵免其未來地下水抽取費用的積分，就像公用事業公司向安裝屋頂太陽能電池板的客戶支付積分，以補償他們輸送到電網的剩餘電力一樣。

根據費舍爾的建議，帕哈羅谷水務管理局向種植者支付 50% 滲透率的積分，這是一個謹慎的數字，用於解釋在沒有他們努力的情況下本應滲入的水，以及“損失”在地下更廣泛水文系統中的滲透水。“與其爭論誰擁有水，為什麼我們不根據水文效益來宣稱勝利呢？”費舍爾問道。“這是每個人的水，因為它進入了每個人都在從中抽水的盆地。每個人都贏了。”

由於這種集體精神在加州充滿爭議的水資源場景中一直是一個例外，因此執行這些試點專案的人們預計會遇到阻力。但他們錯了。“有興趣的人比我們能處理的要多得多，”費舍爾說。在“鳥類歸來”計劃中，最初的猶豫不決在早期採用者的口碑在社群中傳開後就消失了。松本說，四年後，該專案收到的投標數量是其可以使用的兩倍。

這些成功的早期專案表明，地下水補給可以帶來多重好處，它們的成功鼓勵其他人效仿。它們還表明，如果有什麼可以改變功能失調的水文化，那就是社群賦權。“水文地質學既要了解人，也要了解科學，”哈特說。“如果社群能夠掌握這個想法的所有權，他們會更加開放。”除了 SGMA 實際管理地下水的壓力外，這些創新者還揭示了稀缺文化可以演變成更全面的文化，城市、農場和自然界都有足夠的水。