Abstrak
Cekungan Sungai Colorado (CRB) mengalami kekeringan terus-menerus akibat interaksi kompleks antara aktivitas alami dan antropogenik, yang mengakibatkan penipisan air tanah yang signifikan di seluruh wilayah. Kami menggunakan lebih dari dua dekade pengamatan NASA GRACE dan GRACE Follow-On (GRACE-FO) (April 2002–Oktober 2024), model permukaan tanah, dan data yang diamati, untuk mendokumentasikan penipisan air tanah yang nyata di CRB. Kami memperkirakan bahwa CRB kehilangan 52,2 ± 4,0 km 3 penyimpanan air terestrial selama periode penelitian, yang 65%-nya adalah air tanah (34,3 ± 9,2 km 3 ). Dari jumlah tersebut, Cekungan Hulu kehilangan 14,6 ± 3,5 km 3 penyimpanan air daratan (53% dari air tanah, 7,8 ± 5,3 km 3 ) sementara Cekungan Hilir kehilangan 36,0 ± 6,2 km 3 penyimpanan air daratan (71% dari air tanah, 25,5 ± 7,4 km 3 ). Kemajuan menuju keberlanjutan air tanah dapat dicapai dengan mengurangi ekstraksi tahunan sesuai dengan tingkat penipisan tahunan yang disajikan di sini (0,35 km 3 /tahun di Cekungan Hulu dan 1,15 km 3 /tahun di Cekungan Hilir).
Poin-poin Utama
- Penipisan air tanah menyebabkan 53% hilangnya TWS di UCRB dan 71% di LCRB, jauh lebih besar dibandingkan kerugian di Danau Powell dan Mead.
- Praktik pengelolaan air tanah dan akses terhadap air permukaan telah mengurangi tingkat penipisan air tanah di wilayah kelola LCRB dibandingkan dengan wilayah yang tidak terkelola.
- Perluasan pengelolaan air tanah dan penyertaan air tanah dalam diskusi antarnegara mengenai air dapat membantu memetakan jalan menuju keberlanjutan
Ringkasan Bahasa Sederhana
Perubahan iklim menyebabkan kekeringan yang lebih sering dan intens di seluruh dunia, termasuk di Cekungan Sungai Colorado, yang memasok air ke tujuh negara bagian AS dan Meksiko, dan menghadapi kekurangan air yang parah. Studi ini menyelidiki bagaimana perubahan komponen penyimpanan air (misalnya, salju, air permukaan, kelembaban tanah dan air tanah) dan penggunaan air berkontribusi terhadap kekurangan ini, dan berdampak pada pertanian dan persediaan air kota, menggunakan data dari misi satelit NASA GRACE dan GRACE Follow-On (GRACE-FO), model permukaan tanah, dan data in situ selama dua dekade terakhir. Hasilnya menunjukkan hilangnya air tanah yang signifikan: 7,8,0 ± 5,3 km 3 di CRB Atas (UCRB) dan 25,5 ± 7,4 km 3 di CRB Bawah (LCRB). Kemajuan menuju air tanah yang berkelanjutan dapat dicapai dengan mengurangi ekstraksi air tanah, sejalan dengan tingkat penipisan saat ini (0,35 km 3 di UCRB dan 1,15 km 3 di LCRB). Penelitian ini menyoroti pentingnya memahami faktor-faktor yang memengaruhi tingkat air tanah untuk menciptakan strategi pengelolaan air berkelanjutan yang dapat membantu mengamankan sumber daya air untuk masa depan kawasan.
1 Pendahuluan
Cekungan Sungai Colorado (CRB), yang terletak di Amerika Serikat bagian barat daya, menghadapi tantangan pengelolaan air yang belum pernah terjadi sebelumnya karena dampak perubahan iklim, termasuk kekeringan parah dan meningkatnya variabilitas dalam siklus air (Allan et al., 2020 ; Dettinger et al., 2015 ; Tran et al., 2022 ). Selama seabad terakhir, wilayah tersebut telah mengalami peningkatan suhu sekitar 0,8°C, yang menyebabkan penurunan signifikan dalam ketersediaan air tawar (Bolinger et al., 2024 ; Dettinger et al., 2015 ; Gangopadhyay et al., 2022 ; Pokharel et al., 2022 ; Stone et al., 2023 ; Udall & Overpeck, 2017 ). Analisis sebelumnya menggunakan misi Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) NASA mendokumentasikan penipisan air tanah yang signifikan antara tahun 2004 dan 2013 (Castle et al., 2014 ; Scanlon et al., 2015 ). Proyeksi untuk masa depan menunjukkan bahwa penipisan ini akan terus berlanjut, dengan kekeringan yang lebih sering dan berkepanjangan memperburuk kekurangan air yang sudah kritis di wilayah tersebut (Condon et al., 2020 ; McCabe & Wolock, 2007 ; Strzepek et al., 2010 ; Whitney et al., 2023 ).
Seiring berkurangnya aliran Sungai Colorado, keandalan sumber daya air permukaan menjadi semakin terancam. Selama seabad terakhir, aliran sungai telah menurun sekitar 20%, dan model iklim memperkirakan pengurangan lebih lanjut hingga 30% pada pertengahan abad karena meningkatnya suhu dan berkurangnya lapisan salju di Pegunungan Rocky, yang mengalirkan air ke sungai (Udall & Overpeck, 2017 ; Milly & Dunne, 2020 ; Whitney et al., 2023 ). Meskipun ketujuh negara bagian memiliki prioritas yang sama di bawah Colorado River Compact 1922, Arizona sangat rentan terhadap kekurangan air karena, di bawah Pedoman Sementara 2007, negara bagian ini menghadapi pengurangan wajib terbesar dalam pengiriman air ketika Danau Mead mencapai ketinggian yang sangat rendah (Bureau of Reclamation, 2020 ). Arizona, yang mewakili sebagian besar LCRB dalam hal luas lahan dan penggunaan air, menghadapi kemungkinan pengurangan air yang signifikan, berpotensi kehilangan hingga 512 juta meter kubik (sekitar 415.000 acre-feet) dari jatah tahunannya jika permukaan air di Danau Mead terus menurun (Bureau of Reclamation, 2020 ). Penurunan sungai menimbulkan ancaman serius bagi persediaan air pertanian dan kota, yang sangat bergantung pada sungai. Sekitar 80% air CRB digunakan untuk irigasi (Richter et al., 2020 ), mendukung industri pertanian senilai $1,4 miliar di Arizona saja (Departemen Pertanian, 2017 ).
Situasi ini memberikan tekanan yang sangat besar pada sumber daya air tanah di wilayah tersebut. Karena air permukaan menjadi kurang dapat diandalkan, permintaan air tanah diproyeksikan akan meningkat secara signifikan (Liu et al., 2022 ; McCabe & Wolock, 2007 ; Tillman et al., 2020 ). Di Lower Colorado River Basin (LCRB), air tanah sudah mencapai sekitar 40% dari total pasokan air, dengan penggunaan yang diperkirakan akan meningkat karena ketersediaan air permukaan menurun (Bureau of Reclamation, 2012 ). Namun, kurangnya strategi perlindungan dan pengelolaan yang kuat untuk air tanah di CRB menempatkan sumber daya ini pada risiko eksploitasi berlebihan yang signifikan. Air tanah merupakan penyangga penting sebagai pasokan air di lingkungan kering seperti LCRB, tetapi air tanah dengan cepat menghilang karena ekstraksi yang berlebihan di satu sisi dan pengisian ulang dan pengelolaan yang tidak memadai di sisi lain. Penelitian sebelumnya (Castle et al., 2014 ; Scanlon et al., 2015 ) telah mendokumentasikan hilangnya air tanah yang signifikan dan penurunan muka air tanah di LCRB antara tahun 2003 dan 2014.
Dalam studi ini, kami menggunakan pengamatan satelit NASA GRACE dan GRACE Follow-On (GRACE-FO) terhadap penyimpanan air terestrial (TWS; semua salju, es, air permukaan, kelembapan tanah, dan air tanah (Syed et al., 2010 )), dikombinasikan dengan model permukaan tanah dan data in situ, untuk mengukur penipisan air tanah di CRB. (Selanjutnya kami menyebut kumpulan data gabungan GRACE dan GRACE-FO sebagai GRACE/FO). Kami memperkirakan kerugian yang signifikan dalam TWS, khususnya dalam komponen air tanah, di seluruh CRB Atas (UCRB) dan LCRB. Estimasi variasi penyimpanan air tanah (GWS) kami diperoleh dari GRACE/FO, menggunakan output dari North American Land Data Assimilation System (NLDAS) (Mitchell et al., 2004 ), Snow Data Assimilation System (SNODAS) (National Operational Hydrologic Remote Sensing Center, 2004 ), dan Surface Water Reservoir Storage (SWRS), termasuk 47 reservoir di Cekungan Sungai Colorado (US Bureau of Reclamation; www.usbr.gov/UC/ atau/LC dan entitas swasta), dan mengungkap kehilangan kritis dalam penyimpanan air tanah. Temuan ini menggarisbawahi bahwa mengurangi ekstraksi air tanah tahunan dapat membantu mengurangi kehilangan yang sedang berlangsung. Lebih jauh, temuan ini menyoroti kebutuhan mendesak akan praktik pengelolaan air berkelanjutan untuk mengamankan ketersediaan sumber daya air tanah jangka panjang di wilayah yang semakin rentan ini.
2 Data dan Metode
Untuk analisis ini tiga solusi mascon GRACE/FO digunakan dan dilaporkan relatif terhadap garis dasar rata-rata 2004–2009: Laboratorium Propulsi Jet NASA (JPL-RL06.1M), Pusat Penelitian Luar Angkasa Universitas Texas (CSR-RL0602M) dan Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA (GSFC-RL06v2.0M) (Loomis et al., 2019 ; H. Save, 2019 ; Watkins et al., 2015 ; Wiese et al., 2016 ) (Gambar S1 dalam Informasi Pendukung S1 ). CSR-RL0602M diambil sampelnya pada grid ekuiangular berukuran 0,25° × 0,25° (Save, 2020 ). Tidak ada pasca-pemrosesan dan/atau penyaringan atau penerapan faktor skala empiris yang diterapkan (Save et al., 2016 ).
Untuk menilai keakuratan estimasi data GRACE di UCRB dan LCRB, kami melakukan analisis neraca massa air independen menggunakan fluks hidrologi dari tiga model (NOAH, VIC dan Mosaic) dari NLDAS (Mitchell et al., 2004 ), termasuk presipitasi (P), evapotranspirasi (ET), dan total limpasan (Q) (Persamaan 1 ; Gambar S2 dan S3 dalam Informasi Pendukung S1 ) (Rodell, Famiglietti et al., 2004 ; Rodell, Houser et al., 2004 ).
Perubahan penyimpanan air dari waktu ke waktu adalah Δ S /Δ t , P mencakup presipitasi cair dan padat, ET adalah total evapotranspirasi, dan Q merupakan total limpasan (terdiri dari aliran permukaan dan bawah permukaan). Semua fluks hidrologi diperkirakan sebagai rata-rata dari tiga keluaran model. Perbedaan antara masukan ( P ) dan keluaran (ET dan Q ) sama dengan perubahan penyimpanan air (Δ S /Δ t ), yang juga dapat dihitung sebagai turunan temporal dari anomali penyimpanan air terestrial berbasis GRACE (GRACE/FO Δ S /Δ t ).
Data Curah Hujan Tahunan dan Bulanan untuk CRB diperoleh dari kumpulan data curah hujan InfraRed Precipitation with Station (CHIRPS) milik Climate Hazards Center (Funk et al., 2015 ) (Gambar S4 dalam Informasi Pendukung S1 ). Data CHIRPS merupakan integrasi dari berbagai citra satelit dengan data stasiun pengukur pada resolusi spasial 0,05° (Funk et al., 2015 ). Data CHIRPS versi 2.0 tersedia di ( https://data.apps.fao.org/catalog/organization/chirps ).
Kami mengukur variasi temporal dalam SWRS di seluruh CRB dengan memanfaatkan perubahan terukur dalam volume air di 47 waduk, termasuk Danau Powell dan Mead (Castle et al., 2014 ; Scanlon et al., 2015 ), yang mencakup sebagian besar penyimpanan air permukaannya (Biro Reklamasi: www.usbr.gov/UC/ atau /LC dan entitas swasta) (Gambar S13 dalam Informasi Pendukung S1 ).
GRACE/FO TWS dan keluaran model NLDAS dan SNODAS digunakan untuk memperoleh variasi dalam penyimpanan air tanah (Rodell et al., 2007 , 2009 ; Rodell & Famiglietti, 2002 ; Yeh et al., 2006 ). Model NLDAS menyediakan Penyimpanan Kelembapan Tanah (SMS), dan SNODAS menyediakan Setara Air Salju (SWE). Deret waktu GWS (GWS) yang diperoleh GRACE/FO dihitung dengan mengurangi NLDAS SMS (SMS) yang dimodelkan, SNODAS SWE (SWE), dan SWRS yang diukur dari GRACE/FO TWS (TWS GRACE , Persamaan 2 (Rodell & Famiglietti, 2002 ) (Gambar S6 dalam Informasi Pendukung S1 ).
Sumur-sumur yang didistribusikan di akuifer tak terbatas LCRB digunakan dalam studi ini. Data pemantauan level air tanah diperoleh dari Arizona Dept. of Water Resources (ADWR) Groundwater Site Inventory (GWSI; https://gisweb.azwater.gov/waterresourcedata/GWSI.aspx ). Tidak ada data observasi yang tersedia untuk sumur yang lebih dalam di akuifer terbatas, sehingga pandangan lengkap tentang perubahan penyimpanan air tanah dari pengamatan sumur in situ tidak tersedia. Untuk informasi terperinci tentang kriteria pemrosesan dan analisis data sumur pemantauan, lihat Teks S1 di Informasi Pendukung S1 .
Rangkaian waktu nonmusiman digunakan dalam analisis untuk mengurangi kontribusi massa musiman pada perhitungan tren (Rodell et al., 2018 ). Komponen rangkaian waktu nonmusiman dihitung dengan menghilangkan siklus musiman menggunakan STL (Seasonal-Trend decomposition based on LOESS), yang mencakup langkah-langkah berikut: (a) mengisi bulan-bulan yang hilang dengan menggunakan interpolasi linier, (b) menerapkan dekomposisi STL untuk memisahkan komponen musiman dan tren, dan (c) mengekstraksi komponen nonmusiman (tren) dari rangkaian waktu yang tidak terisi celah (Abdelmohsen et al., 2019 ; Rodell et al., 2018 ). Rangkaian waktu nonmusiman digunakan untuk memperkirakan volume air yang bertambah atau berkurang di cekungan. Analisis untuk seluruh Cekungan (CRB) dilakukan secara independen dari analisis UCRB dan LCRB, daripada hanya menjumlahkan nilai-nilai dari dua sub-cekungan, memungkinkan untuk penilaian yang lebih komprehensif dari variasi regional dan tren agregat dalam CRB. Ketidakpastian dalam GRACE TWS diwakili oleh deviasi standar di antara tiga solusi yang dipilih (CSR-RL06M, JPL-RL06M, dan GSFC-RL06v2.0M) (Scanlon et al., 2016 ). Ketidakpastian dalam estimasi neraca massa air ditentukan dengan menghitung kesalahan gabungan dari semua fluks hidrologi dalam kuadratur, mengikuti pendekatan (Rodell, Famiglietti et al., 2004 ; Rodell, Houser et al., 2004 ). Karena tidak ada estimasi kesalahan eksplisit yang tersedia untuk data presipitasi NLDAS, kami menerapkan ketidakpastian 15% pada perubahan penyimpanan yang diukur (Jeton et al., 2005 ). Margin kesalahan untuk total Q ditetapkan sebesar 5% (Rodell, Famiglietti et al., 2004 ; Rodell, Houser et al., 2004 ) sedangkan ketidakpastian untuk ET diasumsikan sebesar 15% (Tang et al., 2009 ).
Kesalahan yang terkait dengan SWRS terhitung ditetapkan pada 15% dari penyimpanan terukur karena tidak ditemukan estimasi kesalahan untuk pengukuran ini (Liu et al., 2022 ). Keakuratan SNODAS SWE dilaporkan berkisar antara 10% hingga 20% pada skala cekungan yang berbeda (Artan et al., 2013 ; Bair et al., 2016 ; Clow et al., 2012 ). Untuk analisis kami, kami mengasumsikan ketidakpastian sebesar 15% untuk SWE. Analisis kesalahan SMS dalam Teks S5 dari Informasi Pendukung S1 (Gambar S10 dan S14 dalam Informasi Pendukung S1 ) (Castle et al., 2014 ).
Akhirnya, simpangan baku dari rangkaian waktu yang diperoleh diinterpretasikan sebagai kesalahan untuk nilai massa air yang dihitung (misalnya, SWRS dan NLDAS SMS). Kesalahan dalam GWS (σGWS) dihitung dengan menambahkan, dalam kuadratur, kesalahan yang diperkirakan terkait dengan tren TWS, SWRS, SMS NLDAS dan SWE SNODAS (Persamaan 3 ).
3 Hasil
Seluruh CRB mengalami kehilangan TWS yang signifikan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a dan 1b dan Tabel 1. Rangkaian waktu TWS GRACE/FO non-musiman selama CRB menunjukkan variasi yang signifikan selama periode studi, dengan tren penurunan yang jelas, yang menunjukkan kehilangan yang berkelanjutan dari penyimpanan. Secara keseluruhan, CRB kehilangan 52,2 ± 4 km 3 (2,37 ± 0,2 km 3 /tahun) TWS antara tahun 2003 dan 2024, yang mana LCRB dan UCRB kehilangan 36,0 ± 6,2 km 3 (1,6 ± 0,3 km 3 /tahun) dan 14,6 ± 3,5 km 3 (0,66 ± 0,2 km 3 /tahun), masing-masing (Gambar 1 dan Tabel 1 ).
| Baskom | ΔTWS sebuah | ΔSWRS b | SMS c | Bahasa Inggris: ΔSWE d | ΔGWS dan | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Bertahun-tahun | ( km3 ) | (km 3 /tahun) | (mm/tahun) | ( km3 ) | (km 3 /tahun) | (mm/tahun) | ( km3 ) | (km 3 /tahun) | (mm/tahun) | ( km3 ) | (km 3 /tahun) | (mm/tahun) | ( km3 ) | (km 3 /tahun) | (mm/tahun) | |
| CRB | 22 | -52,2 ± 4,0 | -2,37 ± 0,2 | -3,6 ± 0,5 | -14,4 ± 1,5 | -0,65 ± 0,1 | -1,0 ± 0,2 | -5,8 ± 5,6 | -0,26 ± 0,2 | -0,41 ± 0,1 | 2,4 ± 0,3 | 0,1 ± 00 | 0,17 ± 00 | -34,3 ± 9,2 | -1,35 ± 0,4 | -1,8 ± 0,9 |
| Universitas Kristen Indonesia | 22 | -14,6 ± 3,5 | -0,66 ± 0,2 | -2,27 ± 0,5 | -5,3 ± 0,8 | -0,24 ± 0,03 | -0,84 ± 0,1 | -3,8 ± 4,0 | -0,17 ± 0,1 | -0,6 ± 0,1 | 2,3 ± 0,3 | 0,1 ± 0,01 | 0,3 ± 00 | -7,8 ± 5,3 | -0,35 ± 0,2 | -0,1 ± 0,5 |
| LCRB | 22 | -36,0 ± 6,2 | -1,6 ± 0,3 | -4,67 ± 0,8 | -8,8 ± 1,3 | -0,4 ± 0,1 | -1,2 ± 0,2 | -1,76 ± 4,0 | -0,08 ± 0,1 | -0,23 ± 0,01 | 5 × 10−3 ± 00 | 2 × 10−4 ± 00 | 6 × 10−4 ± 00 | -25,5 ± 7,4 | -1,15 ± 0,3 | -3,24 ± 0,8 |
Catatan. Pembagian tren TWSGRACE, SWRS, SMSNLDAS, SWESNODAS, dan GWSGRACE di CRB. Pengamatan GRACE, NLDAS, keluaran SNODAS, dan pengukuran Reservoir digunakan untuk memperkirakan pembagian TWS di GWS. a ΔTWS: Perubahan penyimpanan air terestrial. b ΔSWRS: Perubahan penyimpanan reservoir air permukaan di atas reservoir utama primer. c Δ SMS: Perubahan penyimpanan kelembaban tanah. d Δ SWE: Perubahan ekuivalen air salju. e ΔGWS: Perubahan penyimpanan air tanah.
Distribusi curah hujan musiman di CRB tidak merata, dengan intensitas curah hujan musiman yang lebih tinggi di UCRB dibandingkan dengan LCRB (rata-rata curah hujan tahunan: masing-masing 321 dan 283 mm/tahun) (Gambar S4 dalam Informasi Pendukung S1 ). Di LCRB, curah hujan musim panas didorong oleh Monsun Amerika Utara, sementara salju sebagian besar terbatas di UCRB karena elevasinya yang lebih tinggi. Ketimpangan ini tercermin dalam amplitudo siklus musiman TWS, dengan UCRB menunjukkan amplitudo 1,5 kali lebih besar daripada LCRB (Gambar S4 dalam Informasi Pendukung S1 ).
Kami menghitung perubahan bulanan dalam penyimpanan (ΔS/Δt) berdasarkan persamaan neraca air (Persamaan 1 ) dan membandingkan estimasi ini dengan nilai GRACE/FO ΔS/Δt dengan mengambil perbedaan anomali TWS antara dua bulan berturut-turut. Perbandingan tersebut menunjukkan korelasi yang kuat antara ΔS/Δt dan GRACE/FO ΔS/Δt, dengan root mean square error (RMSE) sebesar 0,01, koefisien korelasi Pearson (r) sebesar 0,9, dan Koefisien Efisiensi Nash-Sutcliffe (E) sebesar 0,8 untuk UCRB dan LCRB (Gambar 1c ). Seperti dalam kasus Castle et al. ( 2014 ), perbandingan dekat antara neraca air dan estimasi GRACE/FO memberikan keyakinan bahwa GRACE/FO merepresentasikan perubahan penyimpanan aktual dengan baik, dan bahwa keduanya dapat digunakan dengan yakin untuk memperkirakan perubahan GWS dalam UCRB dan LCRB.
Rangkaian waktu perubahan GWS untuk CRB, UCRB, dan LCRB (Gambar 2 ) diestimasi menggunakan GRACE/FO TWS dan keluaran dari NLDAS, SNODAS, dan SWRS dalam neraca massa mengikuti Persamaan 3 (Rodell & Famiglietti, 2002 ). Komponen penyimpanan yang berbeda, yaitu GWS, SWRS, SMS, dan SWE, berkontribusi pada variasi temporal TWS secara keseluruhan (Gambar 2 , panel kanan). Tren penurunan penyimpanan air tanah sangat menonjol, khususnya di LCRB. Air tanah menyumbang 65% dari kehilangan TWS di CRB (34,3 ± 9,2 km 3 ; 1,55 ± 0,4 km 3 /thn). Dalam UCRB, 53% dari kehilangan TWS diatribusikan ke air tanah (7,8 ± 5,3 km 3 ; 0,35 ± 0,2 km 3 /tahun), dan 71% yang bahkan lebih substansial (25,5 ± 7,4 km 3 ; 1,15 ± 0,3 km 3 /tahun) di LCRB. Perubahan volume air tanah dari sumur pemantauan yang terletak di akuifer tak tertekan di LCRB mengungkapkan penurunan yang jelas dan konsisten pada muka air tanah (garis putus-putus hitam; Gambar S12 dalam Informasi Pendukung S1 ), yang berkorelasi erat dengan perubahan GRACE/FO GWS, menghasilkan RMSE sebesar 0,2 dan r sebesar 0,6. Data ini diperoleh dari Departemen Sumber Daya Air Arizona (ADWR; https://gisweb.azwater.gov/waterresourcedata/GWSI.aspx , diakses April 2024).
Danau Mead dan Powell terus mendominasi sinyal penyimpanan waduk total di CRB. Kehilangan air permukaan dari CRB memainkan peran penting, berkontribusi sebesar 36% (5,3 ± 0,8 km 3 ; 0,24 ± 0,03 km 3 /tahun) terhadap kehilangan TWS di UCRB dan 24% (8,8 ± 1,3 km 3 ; −0,4 ± 0,1 km 3 /tahun) di LCRB. Sebaliknya, SMS dan SWE memiliki dampak yang lebih kecil, hanya mencakup 26% dan -15% (SMS: 3,8 ± 4,0 km 3 ; 0,17 ± 0,1 km 3 /tahun; SWE: 2,3 ± 0,3 km 3 ; 0,1 ± 0,01 km 3 /tahun), di mana SWE menangkal 15% dari total kehilangan TWS di UCRB, dan 5% (SMS: 1,76 ± 4,0 km 3 ; 0,08 ± 0,1 km 3 /tahun; SWE: 5 × 10 -3 ± 0,0 km 3 ; 2 × 10 -4 ± 0,0 km 3 /tahun) dari kehilangan TWS di UCRB dan LCRB, masing-masing.
Di seluruh cekungan, air tanah menyumbang sekitar 65% dari total kehilangan TWS di CRB (34,3 ± 9,2 km 3 dari 52,2 ± 4,0 km 3 ), diikuti oleh air permukaan sebesar 28% (14,4 ± 1,5 km 3 ), kelembapan tanah sebesar 11% (5,8 ± 5,6 km 3 ), dan salju sebesar -4% (2,31 ± 0,3 km 3 ). Analisis berbasis komponen ini menyoroti pentingnya air tanah dalam neraca air secara keseluruhan, yang mengonfirmasinya sebagai pendorong utama penurunan TWS jangka panjang di CRB. Analisis komponen penyimpanan air ini menyoroti pentingnya air tanah dalam neraca air secara keseluruhan dan sebagai alasan utama penurunan TWS di CRB.
3.1 Diferensiasi Geografis Penggunaan Air di LCRB
Mengingat jumlah kehilangan TWS dan GWS yang lebih besar di LCRB, kami menggunakan data dari University of Arizona dan Arizona Department of Water Resources (ADWR, 2016 ) untuk membedakan secara geografis penggunaan dan kehilangan air di seluruh cekungan air tanah LCRB. Kami mengelompokkan cekungan air tanah (ADWR, 2021a ) ke dalam cekungan air tanah agregat yang lebih besar yang ditunjukkan pada Gambar 3a berdasarkan penggunaan air atau keberadaan pengelolaan air tanah: sebagian besar air permukaan dan sumber air permukaan (Central Arizona Project (CAP) atau Colorado River (CR)); sebagian besar air tanah; dan Arizona’s groundwater Active Management Areas (AMAs; tempat air tanah dikelola menurut rencana pengelolaan (ADWR, 2021a )) dan Irrigation Non-Expansion Areas (INAs; tempat perluasan lahan irigasi dilarang (ADWR, 2021 )). Tabel S2 dalam Informasi Pendukung S1 menguraikan cekungan air tanah yang digabungkan untuk membentuk cekungan air tanah agregat yang diilustrasikan pada Gambar 3a . Gambar 3b menunjukkan perubahan TWS di cekungan air tanah terkait. Cekungan air tanah LCRB pada Gambar 3 mencakup sebagian besar Arizona.
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan 2 , seluruh CRB menunjukkan penurunan TWS dan GWS. Gambar 3 memberikan perspektif yang lebih terperinci, yang menyoroti bahwa cekungan air tanah yang terutama bergantung pada sumber air tanah, yaitu cekungan yang lebih dari 90% pasokan airnya diambil dari air tanah (ADWR, 2022 ; Christiansen & Hamblin, 2023 ) (cekungan 1 dan 2, ditunjukkan dengan warna merah muda pada Gambar 3a ) memiliki tingkat kehilangan TWS yang lebih besar daripada cekungan yang memiliki akses ke air permukaan (cekungan 4, 5, dan 6, ditunjukkan dengan warna biru pada Gambar 3a ). Misalnya, cekungan 1 dan 2 memiliki tingkat kehilangan TWS masing-masing sebesar 8,1 ± 1,3 dan 7,3 ± 1 mm/tahun, dengan tingkat penipisan GWS yang sesuai sebesar 7,2 dan 5,9 mm/tahun (lihat Tabel S3 dalam Informasi Pendukung S1 ). Cekungan 1 mencakup AMA Douglas dan Santa Cruz, yang mengandalkan air tanah untuk 90%–100% dari total pasokan air mereka, sementara cekungan 2 mencakup AMA Prescott dan INA Lembah Hualapai, yang air tanahnya menyediakan 80%–90% kebutuhan air (ADWR, 2022 ; Christiansen & Hamblin, 2023 ). Meskipun beberapa wilayah AMA dan INA termasuk dalam cekungan ini, tingkat kehilangan air tanah di cekungan 1 dan 2 tetap yang tertinggi di LCRB dan Arizona.
Sebaliknya, cekungan 4–6, meskipun juga mengalami kehilangan TWS, mendapat manfaat dari akses ke air permukaan, sehingga mengurangi ketergantungan mereka pada air tanah. Cekungan ini menunjukkan tingkat kehilangan TWS yang lebih lambat, dengan tingkat −6,8 ± 0,6, −6,8 ± 0,6, dan −7 ± 0,9 mm/tahun, dan tingkat penipisan GWS yang sesuai sebesar −5,4 ± 0,7, −5,8 ± 0,7, dan −6,2 ± 1 mm/tahun (lihat Tabel S3 dalam Informasi Pendukung S1 ). Khususnya, cekungan 4 mencakup tiga AMA terbesar di Arizona—AMA Tucson, Pinal, dan Phoenix—dengan penggunaan air tanah masing-masing sekitar 50%, 50%, dan 30% dari total pasokan air (ADWR, 2021b ; Christiansen & Hamblin, 2023 ). Ketergantungan yang lebih rendah pada air tanah ini, bersama dengan langkah-langkah pengelolaan yang ada, tampaknya berkontribusi pada tingkat TWS dan kehilangan penyimpanan air tanah yang lebih lambat di wilayah-wilayah ini.
Pertanian mencakup lebih dari 80% dari total penggunaan air di Cekungan 1 dan lebih dari 60% di Cekungan 2 (WASSI-HUC8; Maupin et al., 2014 ), yang keduanya termasuk di antara cekungan yang paling cepat terkuras di Arizona. Seperti disebutkan di atas, pasokan air di cekungan ini sebagian besar diambil dari air tanah. Analisis dalam Teks S4 dari Informasi Pendukung S1 mengungkapkan bahwa 15 tanaman paling intensif air teratas mencakup 71% dan 55% dari total tanaman di dua cekungan air tanah ini, masing-masing. Tanaman utama yang berkontribusi terhadap konsumsi air di wilayah ini, seperti alfalfa dan pecan, juga terbukti menekankan dampak pertanian pada konsumsi air (Tabel S3 dalam Informasi Pendukung S1 ). Di cekungan 1, pecan mencakup 22% dari lahan pertanian, diikuti oleh Triticale/Jagung yang ditanami ganda (17%), alfalfa (15%), yang semuanya merupakan tanaman intensif air. Di cekungan 2, alfalfa mendominasi, mencakup 48% dari total tanaman yang ditanam. Persentase tanaman ini menyoroti korelasi kuat antara penanaman tanaman yang membutuhkan banyak air dan menurunnya ketersediaan air tanah di LCRB.
4 Diskusi
Penelitian ini dan penelitian sebelumnya telah menunjukkan dengan jelas bahwa air tanah CRB menghilang jauh lebih cepat daripada aliran sungai Colorado dan penyimpanan air permukaan CRB di Danau Powell dan Mead. Namun, air tanah CRB kurang mendapat perhatian kebijakan dibandingkan dengan air permukaan.
Akibatnya, penipisan air tanah di CRB telah berlangsung sejak tahun 1980-an, dengan kerugian yang paling menonjol terpusat di LCRB (Castle et al., 2014 ; Scanlon et al., 2015 ). Ancaman baru-baru ini terhadap alokasi air Sungai Colorado terutama didorong oleh perubahan iklim, termasuk berkurangnya limpasan dan aridifikasi jangka panjang, bersama dengan ketergantungan yang berlebihan pada penyimpanan waduk yang menurun, dapat memangkas ketersediaan air permukaan hingga 30% (Milly & Dunne, 2020 ; Stokstad, 2021 ; Udall & Overpeck, 2017 ; Whitney et al., 2023 ), yang memaksa peralihan ke ketergantungan yang lebih besar pada air tanah (Famiglietti, 2014 ; Liu et al., 2022 ). Skenario ini menempatkan ekonomi keseluruhan dan produktivitas pertanian di wilayah tersebut pada risiko yang signifikan, karena peningkatan ketergantungan pada air tanah tidak dapat dihindari.
Kemanjuran kebijakan pengelolaan air tanah di LCRB masih belum pasti. Di California, penipisan air tanah semakin cepat (Liu et al., 2022 ) meskipun Undang-Undang Pengelolaan Air Tanah Berkelanjutan ( https://water.ca.gov/programs/groundwater-management/sgma-groundwater-management ) terus diterapkan . Namun, penting untuk mengklarifikasi bahwa langkah-langkah pembatasan SGMA yang paling ketat belum sepenuhnya berlaku, dan perbaikan yang terukur mungkin memerlukan waktu tambahan untuk terwujud.
Seperti dibahas di atas, Undang-Undang Pengelolaan Air Tanah Arizona telah membantu memperlambat laju penipisan di beberapa AMA. Namun, mayoritas AMA tidak berada di jalur yang tepat untuk memenuhi tujuan keberlanjutan yang ditetapkan pada tahun 1980 untuk mencapai hasil yang aman pada tahun 2025 (ADWR, 2016 , 2020 ) (Gambar 3b ). Lebih jauh lagi, simulasi air tanah untuk AMA Phoenix menunjukkan penipisan total pada akhir abad ini (ADWR, 2023 ). Khususnya, hanya 18% dari Arizona (berdasarkan wilayah) yang tunduk pada pengelolaan air tanah (Tabel S1 dalam Informasi Pendukung S1 ), yang menyoroti kebutuhan mendesak untuk pengelolaan air tanah yang lebih luas dan lebih efektif di seluruh LCRB.
Di seluruh CRB, pertanian menyumbang 52%–80% penarikan air, tergantung pada apakah total kerugian atau konsumsi manusia langsung yang dipertimbangkan (Richter et al., 2020 , 2024 ), 56% di antaranya digunakan untuk memproduksi pakan ternak (alfalfa dan rumput lainnya, jerami, silase jagung, dll.) (Richter et al., 2020 ). Di LCRB, dan khususnya, cekungan 1 dan 2 pada Gambar 3 , hampir semua penarikan ini berasal dari air tanah, yang mengakibatkan laju penipisan yang cepat yang didokumentasikan di sini. Upaya untuk mengurangi penipisan air tanah di wilayah ini akan diperkuat dengan mengalihkan dari tanaman yang membutuhkan banyak air seperti pakan ternak dan tanaman pohon tahunan ke tanaman yang lebih hemat air (Richter et al., 2023 ), dan dengan beralih dari irigasi banjir yang tidak efisien ke metode lain yang lebih efisien seperti irigasi tetes dan irigasi tetes dalam (Famiglietti, 2014 ).
Keberlanjutan air tanah menjadi dasar keamanan manusia dan lingkungan di LCRB. Namun, perubahan iklim, pengelolaan air tanah yang terbatas, dan tekanan yang muncul akibat pesatnya pertumbuhan pusat data dan produsen chip komputer yang membutuhkan banyak air dan listrik di wilayah tersebut, menimbulkan tantangan besar dalam melindungi air tanah bagi generasi mendatang.
Telah ada kemajuan terkini dalam upaya peningkatan pengelolaan air tanah di LCRB dan di seluruh negeri. Arizona membentuk AMA ketujuhnya di sekitar cekungan Willcox dekat sudut tenggara negara bagian, yang terkenal dengan tanaman pohon, kebun anggur, peternakan sapi perah, dan tanaman pakan ternak yang sangat membutuhkan banyak air. Di tingkat nasional, Dewan Penasihat Presiden AS untuk Sains dan Teknologi (PCAST, 2023) baru-baru ini merilis strategi nasional untuk mengamankan sumber daya air tanah negara tersebut. Seperti yang dibahas dalam laporan PCAST, tingkat penipisan air tanah berbasis GRACE/FO yang disajikan di sini dapat berfungsi sebagai target berbasis sains yang dapat membantu mengukur pengurangan pemompaan yang diperlukan untuk mencapai keberlanjutan regional.
Seiring dengan meningkatnya perubahan iklim dan permintaan terhadap Sungai Colorado yang terus meningkat, penyertaan air tanah dalam pembahasan air CRB antarnegara bagian telah menjadi keharusan nasional. Secara historis dikelola di tingkat negara bagian, air tanah kini semakin diandalkan karena persediaan air permukaan menyusut, khususnya di wilayah kering LCRB. Namun, pendekatan tambal sulam saat ini terhadap pengelolaan air tanah di AS terbukti tidak cukup untuk keberlanjutan jangka panjang. Di wilayah seperti Arizona dan California, di mana ketergantungan pada air tanah terus meningkat, pengawasan federal mungkin diperlukan untuk memastikan bahwa sumber daya air tanah dikelola secara efektif bersamaan dengan alokasi air permukaan. Pendekatan terkoordinasi ini akan sangat penting untuk menjaga keamanan air masa depan dari seluruh CRB.
Terakhir, sangat penting bagi AS untuk mempelajari secara intensif risiko hilangnya air tanah terhadap produksi pangannya, kesehatan manusia dan lingkungannya, ketahanan iklim, dan potensi jangka panjangnya bagi pertumbuhan ekonomi. Hal ini khususnya berlaku di Amerika Barat Daya, saat ini lebih dari sebelumnya, karena air tanahnya yang cepat menghilang akan mengalami tekanan yang semakin parah.
