Летний муссон в пустынях на юго-западе США известен тем, что приносит потоки воды, часто заполняя пересохшие русла ручьев и затапливая городские улицы. Распространенное заблуждение при наблюдении за быстро движущейся водой, создаваемой муссонными штормами, состоит в том, что большая часть воды уносится в большие реки, и очень небольшая ее часть просачивается в подземные водоносные горизонты.
Используя комбинацию полевых приборов, беспилотных летательных аппаратов и гидрологической модели, группа исследователей из Университета штата Аризона и Долгосрочной программы экологических исследований Джорнада Национального научного фонда изучает судьбу муссонных дождей и его влияние на пополнение запасов подземных вод в пустыне Чиуауа в Нью-Мексико.
Их результаты, недавно опубликованные в журнале Water Resources Research, объясняют, как удивительное количество осадков, почти 25 процентов, выпадающих в результате муссонных штормов, поглощается руслами небольших ручьев и просачивается в систему грунтовых вод. Исследователи определили факторы, влияющие на процесс перколяции, с помощью численной модели, которая воспроизвела долгосрочные наблюдения, полученные на высокоинструментальном исследовательском участке.
«Результаты этого исследования показывают, что муссонные штормы играют важную роль в подпитке водоносных горизонтов грунтовых вод вблизи точки образования стока», - говорит гидролог ASU Энрике Вивони из Школы исследования Земли и космоса и Школы устойчивой инженерии. и искусственная среда. «Это важный процесс, который сохраняет возобновляемые поверхностные воды для будущего использования в качестве ресурса подземных вод на засушливом юго-западе и во всем мире».
Восемь лет полевых работ привели к новым открытиям
С 2010 по 2018 год группа, в которую входили несколько студентов и аспирантов из ASU и сотрудники из Университета штата Нью-Мексико и Министерства сельского хозяйства США, собирала данные из сети мониторинга водоразделов, созданной на экспериментальном полигоне Хорнада в Нью-Мексико. Особое внимание они уделяли измерению гидрологических и экологических условий на предгорных склонах, известных в местном масштабе как «баджады», которые соединяют горные хребты с речными долинами, но часто игнорируются как источники пополнения запасов подземных вод.
Адам Шрайнер-МакГроу, в настоящее время научный сотрудник с докторской степенью в Калифорнийском университете в Риверсайде и ведущий автор исследования, был аспирантом Школы исследования Земли и космоса АГУ, когда проводилось опубликованное исследование. Д-р Шрайнер-МакГроу посещал участок водосбора каждые три недели в течение более шести лет для сбора гидрологических данных, обслуживания обширной сети приборов и отбора проб на участке, необходимого для настройки и тестирования гидрологической модели, предназначенной для более глубокого понимания полевых условий..
«В гидрологии, - говорит Вивони, - нужно ждать, пока наступят определенные условия. В этом исследовании мы извлекли выгоду из серии влажных летних муссонов, приносящих количество осадков выше среднего».
За это время команда собрала данные высокого разрешения об осадках, речных стоках, влажности почвы и эвапотранспирации, используя различные инструменты, работающие скоординированно. Используя долгосрочные данные этих датчиков, Шрайнер-МакГроу определил, что большое количество поступающих осадков, особенно во время влажных муссонов, не теряется ни в атмосферу через эвапотранспирацию, ни из системы каналов в виде речного стока. Вместо этого сток терялся в виде просачивания в небольшие каналы шириной не более двух футов - неожиданное открытие..
Моделирование движения воды - улучшенная гидрологическая модель
Отслеживая судьбу муссонных дождей, исследовательская группа решила объяснить, как склоны холмов и каналы предгорного склона могут привести к пополнению грунтовых вод.«Почвы на склонах холмов сильно отличаются от почв в каналах», - объясняет Шрайнер-МакГроу. «Они компактны и не очень быстро впитывают воду, а также имеют слои карбоната кальция на глубине от 12 до 20 дюймов ниже поверхности, которые ограничивают инфильтрацию. С другой стороны, каналы имеют грубые и проницаемые отложения, которые могут поглощать воду гораздо быстрее.."
Эта информация была использована для модификации гидрологической модели водораздела с инструментами, первоначально разработанной во время учебы Вивони в аспирантуре Массачусетского технологического института. Основываясь на своей полевой работе, исследовательская группа проверила модель на наборе долгосрочных данных, включая эвапотранспирацию, влажность почвы, речной сток и перколяцию. «Это редкость, чтобы гидрологическая модель была протестирована так тщательно», - говорит Вивони. «Выполняя итерации полевых наблюдений и разработки моделей, мы продемонстрировали ценность долгосрочных исследований».
Исследовательская группа затем использовала численную модель, чтобы выделить два важных фактора, влияющих на процесс просачивания: инфильтрационные свойства склонов холмов и участков русел. Моделирование показало разное влияние этих факторов на долю осадков, пополняющих системы подземных вод. Эти выводы применимы к засушливым предгорным склонам в любой точке Земли. «Понимание процесса пополнения запасов подземных вод в засушливых регионах может помочь нам устойчиво управлять использованием подземных вод в этих климатических условиях», - говорит Шрайнер-МакГроу.
В связи с тем, что вода становится все более ценным ресурсом, лучшее понимание того, как подпитываются подземные воды, может помочь сообществам по всему миру. «Подземные воды очень похожи на банковский счет», - объясняет Вивони. «Подземные водоносные горизонты могут хранить воду, поступающую из наземных систем, которую впоследствии можно извлекать в периоды нехватки воды».
Последствия изменения растительности из-за соединения земли и воды
В пустыне Чиуауа, как и во многих районах на юго-западе США, произошёл переход растительных сообществ от пастбищ к кустарникам.«Исторически мы использовали большие открытые территории западной части США и северной Мексики для выпаса скота», - говорит Вивони. «В результате многие пастбища исчезли и были заменены пустынными кустарниками». Кроме того, засуха и тушение пожаров способствовали превращению трав в кустарники.
Остается открытым вопрос, повлиял ли этот переход на процесс пополнения запасов подземных вод в предгорных склонах. «Мы изучили, как приборизированный водосборный бассейн способствует восполнению запасов подземных вод в текущих условиях», - говорит Шрайнер-МакГроу. «Следующим шагом в исследовании является определение того, как эти вклады будут изменяться в разных растительных сообществах». Здесь гидрологическая модель будет использоваться в качестве численной лаборатории для определения того, как изменения растительности влияют на пополнение запасов грунтовых вод, например, при историческом сценарии пастбищ или в случае опустынивания и отсутствия растительности.
«Будущее водных ресурсов для людей и дикой природы неопределенно», - добавляет Джон Шейд, директор программы долгосрочных экологических исследований Национального научного фонда, которая финансировала исследование. «Подобные исследования необходимы для надлежащего управления водными ресурсами в условиях быстрых изменений окружающей среды, особенно в засушливых землях, где не хватает воды. Это исследование является примером критической роли, которую долгосрочные исследования играют в раскрытии того, что контролирует доступность пресной воды. Это расширяет нашу способность прогнозировать, как изменится доступность пресной воды в ближайшие годы и десятилетия».