De zomermoesson in de woestijnen van het zuidwesten van de VS staat bekend om het brengen van waterstromen, vaak droge stroombeddingen vullen en stedelijke straten onder water zetten. Een veel voorkomende misvatting bij het observeren van het snelstromende water dat wordt gegenereerd door moessonstormen, is dat het meeste water wordt weggevaagd in grote rivieren, met heel weinig ervan dat doorsijpelt in ondergrondse watervoerende lagen.

Met behulp van een combinatie van veldinstrumentatie, onbemande luchtvaartuigen en een hydrologisch model, een team van onderzoekers van de Arizona State University en het Jornada Long Term Ecological Research Program van de National Science Foundation heeft het lot van moessonregens en de impact ervan op de grondwateraanvulling in de Chihuahuan-woestijn van New Mexico bestudeerd.

Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Onderzoek naar waterbronnen , uitleggen hoe een verrassende hoeveelheid regen, bijna 25 procent, van moessonstormen wordt geabsorbeerd in kleine stroombeddingen en sijpelt in het grondwatersysteem. De onderzoekers identificeerden factoren die het percolatieproces beïnvloeden door het gebruik van een numeriek model dat de langetermijnwaarnemingen reproduceerde die werden verkregen op een sterk geïnstrumenteerde onderzoekslocatie.

"De resultaten van deze studie tonen aan dat moessonstormen een belangrijke rol spelen bij het opladen van grondwaterlagen in de buurt van het punt van afvloeiing, ", zegt ASU-hydroloog Enrique Vivoni van de School of Earth and Space Exploration en de School of Sustainable Engineering and Built Environment. "Dit is een essentieel proces dat hernieuwbaar oppervlaktewater voor toekomstig gebruik als grondwaterbron in het droge zuidwesten en in de rest van de wereld."

Acht jaar veldwerk leidt tot nieuwe inzichten

Van 2010 tot 2018, het team, waaronder verschillende niet-gegradueerde en afgestudeerde studenten van ASU en medewerkers van de New Mexico State University en het Amerikaanse ministerie van landbouw, verzamelde gegevens van een stroomgebiedmonitoringnetwerk dat is opgezet in de Jornada Experimental Range in New Mexico. Ze richtten zich specifiek op het meten van hydrologische en ecologische omstandigheden op hellingen van Piemonte, plaatselijk bekend als "bajadas, " die bergketens verbinden met rivierdalen, maar zijn vaak genegeerd als bronnen van grondwateraanvulling.

Adam Schreiner-McGraw, momenteel een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Riverside en hoofdauteur van de studie, was een afgestudeerde student aan ASU's School of Earth and Space Exploration toen het gepubliceerde onderzoek werd uitgevoerd. Dr. Schreiner-McGraw bezocht het stroomgebied gedurende meer dan zes jaar elke drie weken om hydrologische gegevens te verzamelen, onderhouden van het uitgebreide instrumentennetwerk, en het uitvoeren van de plaatsbemonstering die nodig is voor het opzetten en testen van het hydrologische model dat bedoeld is om meer inzicht te krijgen in de veldomstandigheden.

"In de hydrologie, " zegt Vivoni, "je moet wachten tot bepaalde omstandigheden zich voordoen. In deze studie, we hebben geprofiteerd van het feit dat een opeenvolging van natte zomermoessons bovengemiddelde regenval oplevert."

Gedurende deze periode, het team verzamelde gegevens met hoge resolutie over regenval, stroom, bodemvocht en verdamping met behulp van een verscheidenheid aan instrumenten die op een gecoördineerde manier werken. Met behulp van langetermijngegevens van deze sensoren, Schreiner-McGraw stelde vast dat grote hoeveelheden van de binnenkomende regen, vooral tijdens natte moessons, ging niet via verdamping naar de atmosfeer en evenmin als stroom uit het kanaalsysteem. In plaats daarvan, afvoer ging verloren als percolatie in kleine kanalen van niet meer dan 60 cm breed - een onverwachte bevinding.

Simuleren waar het water heen ging - een verbeterd hydrologisch model

Door het lot van moessonregens te volgen, het onderzoeksteam legde uit hoe hellingen en kanalen van de helling van Piemonte kunnen leiden tot grondwateraanvulling. "De bodem op hellingen is heel anders dan die in de geulen, " legt Schreiner-McGraw uit. "Ze zijn compact en nemen niet erg snel water op, en ze hebben ook calciumcarbonaatlagen ongeveer 12 tot 20 inch onder het oppervlak die infiltratie beperken. Kanalen, anderzijds, hebben grove en doorlatende sedimenten die veel sneller water kunnen opnemen."

Deze informatie werd gebruikt om een ​​hydrologisch model van het geïnstrumenteerde stroomgebied te wijzigen, oorspronkelijk ontwikkeld tijdens Vivoni's graduate studies aan het Massachusetts Institute of Technology. Op basis van hun veldwerk het onderzoeksteam testte het model tegen een reeks langetermijngegevens, inclusief verdamping, bodemvocht, stroming en percolatie. "Het is ongebruikelijk om een ​​hydrologisch model zo grondig te laten testen, ", zegt Vivoni. "Door herhalingen van veldwaarnemingen en modelontwikkelingen uit te voeren, we hebben de waarde van langetermijnonderzoek aangetoond."

Het onderzoeksteam gebruikte vervolgens het numerieke model om twee belangrijke factoren te isoleren die het percolatieproces beïnvloeden:de infiltratie-eigenschappen van hellingen en van kanaalbereiken. Simulaties wezen op uiteenlopende effecten van deze factoren op het aandeel regenval dat grondwatersystemen oplaadt. Deze bevindingen zijn van toepassing op droge hellingen van Piemonte overal op aarde. "Inzicht in het proces van grondwateraanvulling in droge gebieden kan ons helpen het grondwatergebruik in deze klimaatsituaties duurzaam te beheren, ", zegt Schreiner-McGraw.

Nu water een steeds waardevollere hulpbron wordt, een beter begrip van hoe grondwater wordt aangevuld, zou gemeenschappen over de hele wereld kunnen helpen. "Grondwater lijkt veel op een bankrekening, " legt Vivoni uit. "Ondergrondse aquifers kunnen water opslaan dat wordt aangevoerd door oppervlaktesystemen, dat vervolgens kan worden gewonnen in perioden van waterschaarste."

Effecten van vegetatieverandering door de land-waterverbinding

De Chihuahua-woestijn, zoals veel gebieden in het zuidwesten van de VS, heeft een overgang doorgemaakt in vegetatiegemeenschappen van graslanden naar struikgewas. "Van oudsher hebben we grote open gebieden in het westen van de VS en het noorden van Mexico gebruikt voor het grazen van vee, ", stelt Vivoni. "Als gevolg hiervan, veel graslanden zijn verdwenen en vervangen door woestijnstruiken." droogte en brandbestrijding hebben bijgedragen aan de omzetting van grassen in struikgewas.

Een open vraag blijft of deze overgang het grondwateraanvullingsproces in de hellingen van Piemonte heeft beïnvloed. "We hebben onderzocht hoe het geïnstrumenteerde stroomgebied bijdraagt ​​aan de grondwateraanvulling onder de huidige omstandigheden, ", zegt Schreiner-McGraw. "De volgende stap in het onderzoek is om te bepalen hoe deze bijdragen onder verschillende plantengemeenschappen zouden veranderen." het hydrologische model zal worden gebruikt als een numeriek laboratorium om te bepalen hoe vegetatieveranderingen de grondwateraanvulling veranderen, bijvoorbeeld bij een historisch graslandscenario of een geval van verwoestijning en afwezigheid van vegetatie.

"De toekomst van watervoorraden voor mensen en dieren in het wild is onzeker, " voegt John Schade toe, directeur van het Long-Term Ecological Research-programma van de National Science Foundation, die het onderzoek financierde. "Studies als deze zijn essentieel voor goed waterbeheer in het licht van snelle veranderingen in het milieu, vooral in droge gebieden waar water schaars is. Deze studie is een voorbeeld van de cruciale rol die langetermijnonderzoek speelt bij het blootleggen van wat de beschikbaarheid van zoet water regelt. Het vergroot ons vermogen om te voorspellen hoe de beschikbaarheid van zoet water de komende jaren en decennia zal veranderen."