Kalifornien använder Blockchain och IoT för att hantera grundvattenanvändning

Kalifornien har ett vattenproblem.

Staten är ett jordbrukskraftverk, producerar över en tredjedel av USA: s grönsaker och genererar över 50 miljarder dollar på ett år, men dess enorma och varierande produktion kräver en lika stor mängd vatten.

I decennier har bönder och företag pumpat ut grundvatten ur Kaliforniens akviferer, de permeabla bergskikten som håller vatten under jorden, och resultaten har varit skrämmande. När akviferer dräneras snabbare än vad regn kan fylla på dem, sjunker marken faktiskt, ett fenomen som kallas "sänkning". I områden där byggnader och vägar vilar ovanpå marken kan detta orsaka skador.

"Kalifornien är enormt för amerikanskt jordbruk," sa Alex Johnson, Freshwater Fund Director för The Freshwater Trust, till Digital Trends. "Men det är starkt grundvattenberoende, och det finns några bassänger i den centrala dalen som har blivit så uttömda över de senaste decennierna att de är 20 fot lägre i höjd eftersom dessa akviferer har dränerats och all mark är uppgörelse.”

När akvifärerna sjunker utgör de inte bara en risk för infrastrukturen på marken. Sten och jord kollapsar tillsammans och tar bort utrymmet där vatten en gång kunde samlas. Detta kan vara katastrofalt, som enligt California Department of Water Resources, i genomsnittligt år står grundvatten för 38 procent av statens vattenförsörjning; under torra år kan den siffran hoppa över 46 procent.

Om Kalifornien ska förhindra ytterligare utarmning av akviferer och överleva torka som den som drabbade det från 2011 till 2017, kommer staten att behöva hantera sin grundvattenanvändning. I den centrala dalen arbetar en grupp organisationer med ett projekt som kan hejda strömmen genom att kombinera två teknologier: sakernas internet (IoT) och Blockchain.

Ett projekt född i mänsklighetens vagga

Den första stora utmaningen var att ta reda på hur man övervakar grundvattennivåerna i hela staten. Lyckligtvis är detta en fråga som människor i andra delar av världen har brottats med i åratal och redan har utvecklat lösningar för.

"Vi gör det här i första hand i Östafrika", säger Evan Thomas, VD för SweetSense, ett företag som använder satellitanslutna sensorer för att övervaka landsbygdens vattenförsörjning. "Det har faktiskt fallit 30 procent mindre nederbörd över Östafrika under det senaste varje år i 30 år", förklarar han, "så torka är i princip varje år nu, istället för vart tionde eller 20:e år, och konsekvenserna av torka är verkligen svår. 250 000 människor dog 2011 på grund av torkan i Etiopien och Kenya, och nästan tio miljoner människor drabbades.”

I Kenya samarbetade SweetSense med IBM Research och med stöd från United States Agency for International Development (USAID) byggde de en system för att använda IoT-sensorer för att "övervaka grundvattenanvändning och -efterfrågan, korrelera det med regnvattentillgängligheten, och sedan också, de flesta viktigt, använd den informationen för att identifiera när en vattenpump går sönder så att vi kan gå ut och fixa det och se till att folk har tillgång till vatten året runt."

Användningen av IoT är spännande: Här är en teknik många förknippar först med köksmaskiner och Alexa högtalare, som används för att rädda liv från torka. IoT, sakernas internet, syftar i stora drag på maskinernas förmåga att kommunicera med varandra.

Föreställ dig den moderna, tekniska lägenheten: Du kanske har en smart hemhub som, när klockan slår 7, säger till din smarta högtalare för att spela ett alarm, din kaffemaskin för att börja brygga en kanna, din TV för att slå på och byta kanal till morgonen Nyheter. Om temperaturen ute är under en viss tröskel höjer din smarta termostat värmen. Även om du kanske har programmerat dessa instruktioner från början, kan maskinerna "prata" med varandra och utföra instruktioner utan att en människa mikrohanterar dem.

Viktigt är att enheter kan kommunicera med varandra utan att synkronisera med det bredare internet, och detta är avgörande för SweetSenses arbete i Afrika.

"Anledningen till att det är IoT är att vi är helt off-grid", förklarar Thomas. "Det finns ingen mobiltjänst, det finns ingen ström, det finns inga nätanslutningar, så vi har en fristående, solcellsdriven sensor som är ansluten till dessa pumpar som kan övervaka vattentillförseln och ansluta den via satellit nätverk.”

Sensorerna kan passa i en persons handflata och drivs av en "2-watts solpanel som är storleken på en liten pocketbok."

En delad resurs kräver delad information

Att noggrant kunna mäta grundvattenanvändningen är ett avgörande steg, men det räcker inte att bara ha noggranna instrument. Grundvatten är en unikt komplicerad resurs att hantera. Det hela ligger under jorden, utom synhåll, och på grund av hur avgörande det är för en mängd olika branscher vill alla ha sin klunk vid fontänen.

"Jag tror att det finns en inneboende svårighet i vattenförvaltning och naturresursförvaltning där det är svårt att spåra vem som gör vad och hålla reda på det över tid", säger Johnson. "Det finns inte mycket förtroende mellan användare, särskilt mellan användare och regeringen eller lokala förvaltningsorgan till andra enheter som vill ha samma resurs."

Användning av grundvatten är ett utmärkt exempel på detta de vanligas tragedi, idén som presenterades med en delad resurs, kommer individer att bestämma sig för att maximera sin egen användning av det, trots det faktum att, om alla gör det, kan det utarma resursen och undergången grupp.

Förvaltning av en delad resurs som vatten, en som människor känner sig naturligt berättigade till, kräver inte bara gruppens överlevnad beror på att alla ransonerar sin användning. Det kräver tillit. Varje individ vill veta att alla andra spelar enligt samma regler.

"Vatten är en delad resurs", säger Nathan Wangusi, teknisk ledare för vatten vid IBM Research Africa, "vilket betyder att om vi utvinner från samma akvifer måste vi ha förutsättningar för hur mycket vi utvinner, vilken hastighet vi utvinner med … så idén om konsensus är mycket Viktig."

Ett marknadsbaserat tillvägagångssätt

Wangusi och hans team arbetar i Kenya, i en region som han beskriver som "glesbefolkad" och "till stor del pastoral... starkt beroende av grundvatten.” Det är också en region där det är svårt att använda många tekniska lösningar. Wangusi och hans team bestämde sig för att fokusera på hur man tjänar pengar på vattenrättigheter.

"Du tänker på vilken annan naturresurs som helst, som mineraler, mark, tillgång till förmåga att förorena," förklarar Wangusi, "du får de rättigheter genom något tillstånd … om du har en koldioxidkredit får du tillstånd att lägga en viss mängd kol i miljö."

På samma sätt, om du äger mark, kan du odla grödor och har rätt att sälja dessa grödor. Om du äger en gruva kan du utvinna mineraler från den och sälja dem. Grundvatten är dock knepigare.

"Vad som är annorlunda med vattenrättigheter, mer än andra naturresursrättigheter, är att du inte kan omvandla vattenrättigheter direkt... till ett kommersiellt instrument."

Wangusi och hans team bestämde sig för idén om grundvattenkrediter. En kredit ger ägaren rätt att utvinna en viss mängd vatten från marken, och om ägaren inte vill använder sig av den rätten själva kan de ”konvertera dem till kommersiella instrument som du kan handla i en öppen marknadsföra."

Marknader handlar dock om förtroende. De inblandade måste lita på att produkten de köper – i det här fallet rätten att utvinna grundvatten – är giltig, och de måste lita på att ingen annan spelar systemet. Varför skulle en bonde begränsa sig till bara det vatten de har råd att köpa tillstånd för om de misstänker att deras granne pumpar vatten med hänsynslöst övergivenhet? Alla måste ha tillgång till den informationen och veta att informationen är tillförlitlig.

Ett system som alla kan lita på

"Tekniken som är utformad för att stödja konsensus och demokratiserad tillgång till information," säger Wangusi, "är per definition Blockchain, eftersom du har den här idén om en reskontra som är oföränderlig, och sedan har du idén om ett smart kontrakt som kan flytta transaktioner inom den blockkedjan nätverk."

Blockchain är tekniken som ligger bakom kryptovalutor som Bitcoin, men det har mycket potential för andra applikationer. Enkelt uttryckt är en Blockchain en decentraliserad reskontra som delas av alla som vill ha tillgång till den.

När ett valfritt antal parter gör en transaktion eller annan affär (t.ex. registrerar ett "smart kontrakt") på Blockchain, verifierar de andra parterna i nätverket det och säkerställer dess plats i posten. Informationen är tillgänglig för alla användare, och ingen kan ändra den i efterhand, eftersom informationen måste stämma överens med kopiorna som alla andra har.

SweetSenses sensorer kan exakt spåra mängden grundvatten som dras upp från en pump i pumpen system, och förmedla den informationen till IBM: s Blockchain via satelliter, så att data flödar även på avstånd områden. På Blockchain kan användare köpa och sälja sina vattenkrediter, till och med registrera smarta kontrakt för att automatiskt köpa eller sälj när priset är rätt, och alla kan se vilka pumpar som fungerar eller inte, vart vatten pumpas, och så på.

Från Kenya till Kalifornien

Systemet, utvecklat i Afrika, är en välsignelse för de pastorala samhällena som är beroende av grundvatten där. För Freshwater Trust verkade det också ha stor potential för Kalifornien. Även om människor kanske inte omedelbart kopplar ihop Kenya och Kalifornien i deras sinnen, är båda regionerna beroende av jordbruk och båda på grundvatten.

Thomas hade arbetat med Freshwater Trust tidigare, och de såg en chans att samarbeta.

"Eftersom TFT försökte ta reda på hur man kan hjälpa jordbrukare att faktiskt övervaka vatten och hur man hjälper jordbrukare att följa grundvattenhållbarheten Agera", säger Thomas, "och viktigast av allt, hur man kan hjälpa dem på ett sätt som underlättar smärtan av nya regler och skapar marknadsincitament för deltar.”

Skaparna av projektet var entusiastiska över utsikten till vad de kallar "omvänd teknologi överföring”, av ett system konstruerat i utvecklingsvärlden som kommer för att hjälpa Kalifornien, hjärtat av tekniska världen.

"Det är lätt, tror jag, i amerikansk kultur att känna att vi är bäst", säger Johnson. "För att vi har fått höra det, eller vi har sagt det mycket till oss själva. Det finns många platser där innovation sker, och jag tror att teknikens hastighet har demokratiserat där några av de riktigt intressanta tekniska framstegen kommer ifrån."

Med tanke på Kaliforniens centrala roll i teknikindustrin finns det lite ironi där, den stora exportören av innovation som drar nytta av teknik från ett långt borta land.

"Kalifornien är ganska tekniskt i en mycket specifik mening," säger Johnson, "och det handlar i allmänhet inte om jordbruk. Så jag tror att det förmodligen finns många områden där utvecklingsvärlden har läror och innovationer som kan lära den utvecklade världen det."

Vad detta IoT/Blockchain-system erbjuder är ett sätt att reglera grundvattenanvändningen som är transparent och oförgänglig, vilket är användbart med tanke på att bönder, oavsett om de är i Kenya eller Kalifornien, kan vara försiktiga med regeringen mandat.

"Om vi ​​kan skapa ett system som är trovärdigt, som är oföränderligt och visar att den resursen överlag, månad efter månad, år efter år, håller på att hanteras på ett hållbart sätt, men ger användarna den integritet och säkerhet som de behöver för att faktiskt använda det systemet", säger Johnson, "nu är vi talande."

"Lagstiftningen kommer att tvinga fram efterfrågan på dessa nya typer av system," tillägger han, och så organisationer som Freshwater Trust försöker "ta reda på saker innan alla är tillbaka mot väggen …"

Jorden börjar bli uttorkad

Mänsklighetens rygg kanske inte är pressad mot väggen ännu, men vi kan känna hur det hotar.

"Vi har inte vatten tillgängligt året runt, egentligen någonstans i världen, och det håller på att bli en kris", säger Thomas. "Torkan förvärrar den här frågan, efterfrågan förvärrar den här frågan, och vi måste se till att vatten finns tillgängligt där det behöver vara och när det behöver vara. Och vi kommer inte att kunna göra det på det gamla sättet, tillägger han. "Vi kommer inte bara att bygga nya dammar igen, eller stjäla allt vatten ur bergen. Vi måste kunna hantera vattnet där det är.”

Torka skadar inte bara jordbruket. Ett färskt uttalande från USDA Forest Service stater som 18 miljoner träd har dött i Kalifornien sedan 2017, vilket ger det totala antalet döda sedan 2010 till 149 miljoner. Dessa skal sträcker sig över miljontals hektar, ett hav av tändande som väntar på en gnista. Kaliforniens långvariga torka har sammanfallit med en ökning av skogsbränder, inklusive lägerelden 2018, den dödligaste skogsbranden i Kaliforniens historia.

Det kommer att krävas robust offentlig politik och teknisk innovation för att avvärja katastrofer, och Kalifornien utnyttjar båda.

"Vi som människor har tillgång till nästan gudliknande teknologi just nu", säger Johnson. "Låt oss få en känsla av brådska och prova saker och tillämpa några av dessa tekniker där de behövs som mest."

Redaktörens rekommendationer

• Glöm Internet of Things. Här är vad IoT verkligen står för