Monsunregn viste sig at være gavnligt for underjordiske akviferer

Sommermonsunen i ørkenerne i det sydvestlige USA er kendt for at bringe vandstrømme, fylder ofte tørre åbejer og oversvømmer bygader. En almindelig misforståelse, når man observerer det hurtigt bevægende vand, der genereres af monsunstorme, er, at det meste af vandet er fejet væk i store floder, med meget lidt af det siver ned i underjordiske grundvandsmagasiner.

Ved at bruge en kombination af feltinstrumentering, ubemandede luftfartøjer og en hydrologisk model, et hold forskere fra Arizona State University og Jornada Long Term Ecological Research Program fra National Science Foundation har studeret skæbnen for monsunregn og dens indvirkning på grundvandsgendannelsen i Chihuahuan-ørkenen i New Mexico.

Deres resultater, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Vandressourceforskning , forklare, hvordan en overraskende mængde nedbør, næsten 25 pct. fra monsunstorme optages i små vandløb og perkolerer ind i grundvandssystemet. Forskerne identificerede faktorer, der påvirker perkolationsprocessen ved brug af en numerisk model, der gengav de langsigtede observationer opnået på et højt instrumenteret forskningssted.

"Resultaterne af denne undersøgelse viser, at monsunstorme spiller en vigtig rolle i genopladning af grundvandsmagasiner nær punktet for afstrømning, "siger ASU -hydrolog Enrique Vivoni fra School of Earth and Space Exploration og School of Sustainable Engineering and Built Environment." Dette er en vigtig proces, der banker vedvarende overfladevand til fremtidig brug som grundvandsressource i det tørre sydvest og i hele verden."

Otte års feltarbejde fører til nye indsigter

Fra 2010 til 2018, holdet, som omfattede flere bachelor- og kandidatstuderende fra ASU og samarbejdspartnere fra New Mexico State University og US Department of Agriculture, indsamlet data fra et vandskelovervågningsnetværk etableret ved Jornada Experimental Range i New Mexico. De fokuserede specifikt på at måle hydrologiske og økologiske forhold på piemonte-skråninger, lokalt kendt som "bajadas, "som forbinder bjergkæder med floddale, men er ofte blevet ignoreret som kilder til genopfyldning af grundvand.

Adam Schreiner-McGraw, i øjeblikket postdoc ved University of California, Riverside og hovedforfatter af undersøgelsen, var kandidatstuderende ved ASU's School of Earth and Space Exploration, da den offentliggjorte forskning blev udført. Dr. Schreiner-McGraw besøgte vandskelstedet hver tredje uge i over seks år for at indsamle hydrologiske data, vedligeholde det omfattende instrumentnetværk, og udføre den stedprøvetagning, der er nødvendig for at opsætte og teste den hydrologiske model, der er beregnet til at opnå yderligere forståelse af feltforholdene.

"I hydrologi, " siger Vivoni, "du skal vente på, at visse betingelser sker. I denne undersøgelse, vi havde fordel af at få en sekvens af våde sommermonsuner til at levere over gennemsnittet nedbør."

I løbet af denne tid, holdet indsamlede data i høj opløsning om nedbør, streamflow, jordfugtighed og fordampning ved hjælp af forskellige instrumenter, der fungerer på en koordineret måde. Ved at bruge langtidsdata fra disse sensorer, Schreiner-McGraw identificerede, at store mængder af den indkommende nedbør, især under våde monsuner, blev ikke tabt til atmosfæren via evapotranspiration eller fra kanalsystemet som streamflow. I stedet, afstrømning var ved at gå tabt som perkolering i små kanaler, der ikke var mere end to fod i bredden - et uventet fund.

Simulering, hvor vandet blev af - en forbedret hydrologisk model

Ved at spore skæbnen for monsunregn, forskerholdet satte sig for at forklare, hvordan bakkeskråninger og kanaler i Piemonte-skråningen kan føre til genopladning af grundvand. "Jord på bakkeskråninger er meget anderledes end dem i kanalerne, " forklarer Schreiner-McGraw. "De er kompakte og absorberer ikke vand særlig hurtigt, og de har også calciumcarbonatlag omkring 12 til 20 tommer under overfladen, der begrænser infiltration. kanaler, på den anden side, har grove og permeable sedimenter, der kan absorbere vand meget hurtigere."

Denne information blev brugt til at modificere en hydrologisk model af det instrumenterede vandskel, oprindeligt udviklet under Vivonis kandidatstudier ved Massachusetts Institute of Technology. Baseret på deres feltarbejde, forskerholdet testede modellen mod en række langtidsdata, herunder fordampning, jordfugtighed, streamflow og perkolation. "Det er ualmindeligt at få en hydrologisk model testet så grundigt, "siger Vivoni." Ved at udføre iterationer af feltobservationer og modeludviklinger, vi demonstrerede værdien af ​​langsigtet forskning."

Forskerholdet brugte derefter den numeriske model til at isolere to vigtige faktorer, der påvirker perkolationsprocessen:infiltrationsegenskaberne af bakkeskråninger og kanalrækker. Simuleringer viste divergerende virkninger af disse faktorer på andelen af ​​nedbør, der genoplader grundvandssystemerne. Disse resultater gælder for tørre piemonte-skråninger overalt på Jorden. "En forståelse af grundvandsgenopladningsprocessen i tørre områder kan hjælpe os med en bæredygtig håndtering af grundvandsforbruget i disse klimaforhold, "siger Schreiner-McGraw.

Med vand bliver en stadig mere værdifuld ressource, en bedre forståelse af, hvordan grundvand genoplades, kunne hjælpe samfund over hele kloden. "Grundvand ligner meget en bankkonto, " forklarer Vivoni. "Underjordiske grundvandsmagasiner kan opbevare vand leveret fra overfladesystemer, som efterfølgende kan udvindes i perioder med vandknaphed."

Effekter af vegetationsændringer gennem land-vandforbindelsen

Chihuahuan-ørkenen, ligesom mange områder i det sydvestlige USA, har oplevet en overgang i vegetationssamfund fra græsarealer til buskadser. "Vi har historisk brugt store åbne områder i det vestlige USA og det nordlige Mexico til husdyrgræsning, " siger Vivoni. "Som et resultat, mange græsarealer er forsvundet og erstattet af ørkenbuske." tørke og brandbekæmpelse har bidraget til omdannelsen af ​​græs til buske.

Der er stadig et åbent spørgsmål om, hvorvidt denne overgang har påvirket grundvandspåfyldningsprocessen i piemonteskråninger. "Vi har undersøgt, hvordan det instrumenterede vandskel bidrager til grundvandsgenopladning under nuværende forhold, " siger Schreiner-McGraw. "Det næste trin i forskningen er at bestemme, hvordan disse bidrag ville blive ændret under forskellige plantesamfund." Her, den hydrologiske model vil blive brugt som et numerisk laboratorium til at bestemme, hvordan vegetationsændringer ændrer grundvandsgenopladningen, for eksempel under et historisk græslandsscenarie eller et tilfælde med ørkendannelse og fravær af vegetation.

"Fremtiden for vandressourcer for mennesker og dyreliv er usikker, " tilføjer John Schade, direktør for National Science Foundations langsigtede økologiske forskningsprogram, som finansierede forskningen. "Undersøgelser som dette er afgørende for korrekt vandforvaltning i lyset af hurtige miljøændringer, især i tørre lande, hvor der er knaphed på vand. Denne undersøgelse er et eksempel på den kritiske rolle, langsigtet forskning spiller for at afdække, hvad der styrer tilgængeligheden af ​​ferskvand. Det fremmer vores evne til at forudsige, hvordan tilgængeligheden af ​​ferskvand vil ændre sig i de kommende år og årtier."