Sommarmonsunen i öknarna i sydvästra USA är känd för att föra med sig strömmar av vatten, fyller ofta torra bäckbäddar och översvämmar stadsgator. En vanlig missuppfattning när man observerar det snabbt rörliga vattnet som genereras av monsunstormar är att det mesta av vattnet svepas bort i stora floder, med mycket lite av det som tränger in i underjordiska akviferer.

Med en kombination av fältinstrumentering, obemannade flygfarkoster och en hydrologisk modell, ett team av forskare från Arizona State University och Jornada Long Term Ecological Research Program av National Science Foundation har studerat ödet för monsunregn och dess inverkan på grundvattentillförseln i Chihuahuanöknen i New Mexico.

Deras fynd, nyligen publicerad i tidskriften Vattenresursforskning , förklara hur en överraskande mängd nederbörd, nästan 25 procent, från monsunstormar absorberas i små bäckbäddar och tränger in i grundvattensystemet. Forskarna identifierade faktorer som påverkar perkolationsprocessen genom att använda en numerisk modell som återgav de långtidsobservationer som erhölls på en mycket instrumenterad forskningsplats.

"Resultaten av denna studie visar att monsunstormar tjänar en viktig roll för att ladda grundvattentankar nära punkten för avrinning, " säger ASU-hydrologen Enrique Vivoni från School of Earth and Space Exploration och School of Sustainable Engineering and Built Environment. "Detta är en viktig process som täcker förnybart ytvatten för framtida användning som en grundvattenresurs i den torra sydväst och i hela landet. värld."

Åtta års fältarbete leder till nya insikter

Från 2010 till 2018, laget, som inkluderade flera grund- och doktorander från ASU och medarbetare från New Mexico State University och U.S.A. Department of Agriculture, samlade in data från ett vattendelare övervakningsnätverk etablerat vid Jornada Experimental Range i New Mexico. De fokuserade specifikt på att mäta hydrologiska och ekologiska förhållanden på piemontes sluttningar, lokalt känd som "bajadas, "som förbinder bergskedjor med floddalar, men har ofta ignorerats som källor för grundvattentillförsel.

Adam Schreiner-McGraw, för närvarande postdoktor vid University of California, Riverside och huvudförfattare till studien, var doktorand vid ASU:s School of Earth and Space Exploration när den publicerade forskningen genomfördes. Dr. Schreiner-McGraw besökte vattendelaren var tredje vecka i över sex år för att samla in hydrologiska data, upprätthålla det omfattande instrumentnätverket, och utföra provtagningen på plats som behövs för att ställa in och testa den hydrologiska modellen som är avsedd att få ytterligare förståelse för fältförhållandena.

"Inom hydrologi, säger Vivoni, "du måste vänta på att vissa förhållanden ska inträffa. I denna studie, vi gynnades av att ha en sekvens av våta sommarmonsuner som ger över genomsnittet nederbörd."

Under denna tid, teamet samlade in högupplöst data om nederbörd, strömflöde, jordfuktighet och evapotranspiration med hjälp av en mängd olika instrument som fungerar på ett koordinerat sätt. Genom att använda långtidsdata från dessa sensorer, Schreiner-McGraw identifierade att stora mängder av den inkommande nederbörden, speciellt under våta monsuner, försvann inte till atmosfären via evapotranspiration eller från kanalsystemet som strömflöde. Istället, avrinning höll på att gå förlorad som genomströmning i små kanaler som inte var mer än två fot breda - ett oväntat fynd.

Simulera vart vattnet tog vägen – en förbättrad hydrologisk modell

Genom att spåra ödet för monsunregn, forskargruppen gav sig i kast med att förklara hur sluttningar och kanaler i Piemontes sluttningar kan leda till återuppladdning av grundvatten. "Mark på sluttningar är väldigt annorlunda än i kanalerna, " förklarar Schreiner-McGraw. "De är kompakta och absorberar inte vatten särskilt snabbt, och de har också kalciumkarbonatlager cirka 12 till 20 tum under ytan som begränsar infiltration. Kanaler, å andra sidan, har grova och permeabla sediment som kan absorbera vatten mycket snabbare."

Denna information användes för att modifiera en hydrologisk modell av den instrumenterade vattendelen, utvecklades ursprungligen under Vivonis forskarstudier vid Massachusetts Institute of Technology. Baserat på deras fältarbete, forskargruppen testade modellen mot en uppsättning långtidsdata, inklusive evapotranspiration, markfuktighet, strömflöde och perkolering. "Det är ovanligt att få en hydrologisk modell testad så noggrant, " säger Vivoni. "Genom att utföra iterationer av fältobservationer och modellutvecklingar, vi visade värdet av långsiktig forskning."

Forskargruppen använde sedan den numeriska modellen för att isolera två viktiga faktorer som påverkar perkoleringsprocessen:infiltrationsegenskaperna hos sluttningar och kanalsträckor. Simuleringar visade på divergerande effekter av dessa faktorer på andelen nederbörd som laddar grundvattensystemen. Dessa fynd är tillämpliga på torra piemontesluttningar var som helst på jorden. "Att förstå grundvattenpåfyllningsprocessen i torra regioner kan hjälpa oss att på ett hållbart sätt hantera grundvattenanvändningen i dessa klimatmiljöer, säger Schreiner-McGraw.

Med vatten som blir en allt mer värdefull resurs, en bättre förståelse för hur grundvatten laddas kan hjälpa samhällen över hela världen. "Grundvatten är ungefär som ett bankkonto, " förklarar Vivoni. "Underjordiska akviferer kan lagra vatten som levereras från ytsystem som sedan kan utvinnas under perioder av vattenbrist."

Effekter av vegetationsförändringar genom land-vattenförbindelsen

Chihuahuanöknen, som många områden i sydvästra USA, har upplevt en övergång i vegetationssamhällen från gräsmarker till buskmarker. "Vi har historiskt använt stora öppna områden i västra USA och norra Mexiko för boskapsbete, " säger Vivoni. "Som ett resultat, många gräsmarker har försvunnit och ersatts av ökenbuskar." torka och brandbekämpning har bidragit till omvandlingen av gräs till buskmarker.

En öppen fråga kvarstår om huruvida denna övergång har påverkat grundvattenpåfyllningsprocessen i Piemontes sluttningar. "Vi har undersökt hur den instrumenterade vattendelaren bidrar till grundvattenuppladdning under nuvarande förhållanden, " säger Schreiner-McGraw. "Nästa steg i forskningen är att bestämma hur dessa bidrag skulle förändras under olika växtsamhällen." Här, den hydrologiska modellen kommer att användas som ett numeriskt laboratorium för att fastställa hur vegetationsförändringar förändrar grundvattentillförseln, till exempel under ett historiskt gräsmarksscenario eller ett fall med ökenspridning och frånvaro av vegetation.

"Framtiden för vattenresurser för människor och vilda djur är osäker, " tillägger John Schade, chef för National Science Foundations långsiktiga ekologiska forskningsprogram, som finansierade forskningen. "Studier som denna är avgörande för korrekt vattenhantering inför snabba miljöförändringar, speciellt i torra länder där det är ont om vatten. Denna studie är ett exempel på den avgörande roll som långtidsforskning spelar för att avslöja vad som styr tillgången på sötvatten. Det främjar vår förmåga att förutsäga hur tillgången på sötvatten kommer att förändras under de kommande åren och decennierna."