El monzón de verano en los desiertos del suroeste de los EE. UU. Es conocido por traer torrentes de agua, a menudo llenando lechos de arroyos secos e inundando las calles urbanas. Un error común al observar el rápido movimiento del agua generado por las tormentas del monzón es que la mayor parte del agua esbarrido en grandes ríos, con muy poca cantidad de agua que se filtra en los acuíferos subterráneos.
Utilizando una combinación de instrumentación de campo, vehículos aéreos no tripulados y un modelo hidrológico, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Arizona y el Programa de Investigación Ecológica a Largo Plazo Jornada de la National Science Foundation ha estado estudiando el destino de las lluvias monzónicas y su impacto enrecarga de aguas subterráneas en el desierto chihuahuense de Nuevo México.
Sus hallazgos, publicados recientemente en la revista Investigación de recursos hídricos , explique cómo una cantidad sorprendente de lluvia, casi el 25 por ciento, de las tormentas de los monzones se absorbe en pequeños lechos de corrientes y se filtra en el sistema de aguas subterráneas. Los investigadores identificaron factores que afectan el proceso de percolación mediante el uso de un modelo numérico que reproduce el largo tiempoobservaciones a largo plazo obtenidas en un sitio de investigación altamente instrumentado.
"Los resultados de este estudio muestran que las tormentas monzónicas desempeñan un papel importante en la recarga de acuíferos subterráneos cerca del punto de generación de escorrentía", dice el hidrólogo de ASU Enrique Vivoni de la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio y la Escuela de Ingeniería Sostenible y Medio Ambiente Construido"Este es un proceso esencial que almacena el agua superficial renovable para su uso futuro como recurso de agua subterránea en el árido suroeste y en todo el mundo".
Ocho años de trabajo de campo conducen a nuevas ideas
De 2010 a 2018, el equipo, que incluyó a varios estudiantes universitarios y graduados de ASU y colaboradores de la Universidad Estatal de Nuevo México y el Departamento de Agricultura de los EE. UU., Recopiló datos de una red de monitoreo de cuencas hidrográficas establecida en el Rango Experimental Jornada en Nuevo México.Se centraron específicamente en medir las condiciones hidrológicas y ecológicas en las laderas de los piamonteses, localmente conocidas como "bajadas", que conectan las cadenas montañosas con los valles de los ríos, pero a menudo han sido ignoradas como fuentes de recarga de aguas subterráneas.
Adam Schreiner-McGraw, actualmente becario postdoctoral en la Universidad de California, Riverside y autor principal del estudio, era un estudiante graduado en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU cuando se realizó la investigación publicada. El Dr. Schreiner-McGraw visitóel sitio de la cuenca cada tres semanas durante más de seis años para recopilar datos hidrológicos, mantener la extensa red de instrumentos y llevar a cabo el muestreo del sitio necesario para configurar y probar el modelo hidrológico destinado a obtener una mayor comprensión de las condiciones del campo.
"En hidrología", dice Vivoni, "hay que esperar a que ocurran ciertas condiciones. En este estudio, nos beneficiamos de tener una secuencia de monzones húmedos de verano que arrojan precipitaciones por encima del promedio".
Durante este tiempo, el equipo recolectó datos de alta resolución sobre lluvia, flujo de agua, humedad del suelo y evapotranspiración usando una variedad de instrumentos que operan de manera coordinada. Utilizando datos a largo plazo de estos sensores, Schreiner-McGraw identificó que grandes cantidades dela lluvia entrante, especialmente durante los monzones húmedos, no se estaba perdiendo en la atmósfera a través de la evapotranspiración ni del sistema de canales como flujo de corriente, sino que se estaba perdiendo la escorrentía como percolación en pequeños canales de no más de dos pies de ancho, un hallazgo inesperado.
Simulando hacia dónde iba el agua: un modelo hidrológico mejorado
Al rastrear el destino de las lluvias monzónicas, el equipo de investigación se propuso explicar cómo las laderas y los canales de la ladera del piedemonte podrían conducir a la recarga del agua subterránea. "Los suelos en las laderas son muy diferentes a los de los canales", explica Schreiner-McGraw."Son compactos y no absorben agua muy rápidamente, y también tienen capas de carbonato de calcio a unas 12 a 20 pulgadas por debajo de la superficie que limitan la infiltración. Los canales, por otro lado, tienen sedimentos gruesos y permeables que pueden absorber el agua mucho más rápidamente"
Esta información se utilizó para modificar un modelo hidrológico de la cuenca hidrográfica instrumentada, desarrollado originalmente durante los estudios de posgrado de Vivoni en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Basado en su trabajo de campo, el equipo de investigación probó el modelo contra un conjunto de datos a largo plazo,incluida la evapotranspiración, la humedad del suelo, el flujo de la corriente y la filtración. "Es poco frecuente que se pruebe un modelo hidrológico tan exhaustivamente", dice Vivoni. "Al realizar iteraciones de observaciones de campo y desarrollos de modelos, demostramos el valor de la investigación a largo plazo".
El equipo de investigación luego utilizó el modelo numérico para aislar dos factores importantes que afectan el proceso de percolación: las propiedades de infiltración de las laderas y del alcance de los canales. Las simulaciones indicaron efectos divergentes de estos factores en la proporción de lluvia que recarga los sistemas de aguas subterráneas. Estos hallazgos sonaplicable a las laderas áridas del piedemonte en cualquier parte de la Tierra. "Comprender el proceso de recarga de agua subterránea en regiones áridas puede ayudarnos a gestionar de manera sostenible el uso del agua subterránea en estos entornos climáticos", dice Schreiner-McGraw.
Con el agua convirtiéndose en un recurso cada vez más valioso, una mejor comprensión de cómo se recarga el agua subterránea podría ayudar a las comunidades de todo el mundo. "El agua subterránea es muy parecida a una cuenta bancaria", explica Vivoni. "Los acuíferos subterráneos pueden almacenar agua suministrada desde sistemas de superficie que puedense extrae posteriormente en períodos de escasez de agua "
Efectos del cambio de vegetación a través de la conexión tierra-agua
El desierto de Chihuahuan, como muchas áreas en el suroeste de los Estados Unidos, ha experimentado una transición en las comunidades de vegetación de pastizales a tierras arbustivas. "Históricamente hemos utilizado grandes áreas abiertas del oeste de los Estados Unidos y el norte de México para el pastoreo de ganado", afirma Vivoni."Como resultado, muchos pastizales han desaparecido y han sido reemplazados por arbustos del desierto". Además, la sequía y la extinción de incendios han contribuido a la conversión de pastos en tierras de arbustos.
Queda una pregunta abierta sobre si esta transición ha impactado el proceso de recarga de agua subterránea en las laderas de piedemonte. "Hemos examinado cómo la cuenca hidrográfica instrumentada contribuye a la recarga de agua subterránea en las condiciones actuales", dice Schreiner-McGraw. "El siguiente paso en la investigaciónes determinar cómo se alterarían estas contribuciones en diferentes comunidades de plantas ". Aquí, el modelo hidrológico se empleará como un laboratorio numérico para determinar cómo los cambios en la vegetación alteran la recarga de las aguas subterráneas, por ejemplo, en un escenario histórico de pastizales o un caso de desertificación yausencia de vegetación.
"El futuro de los recursos hídricos para los humanos y la vida silvestre es incierto", agrega John Schade, director del programa de Investigación Ecológica a largo plazo de la Fundación Nacional de Ciencias, que financió la investigación. "Estudios como este son esenciales para la gestión adecuada del agua en elfrente al rápido cambio ambiental, especialmente en tierras áridas donde el agua es escasa. Este estudio es un ejemplo del papel fundamental que desempeña la investigación a largo plazo para descubrir qué controla la disponibilidad de agua dulce. Avanza nuestra capacidad de predecir cómo cambiará la disponibilidad de agua dulce enlos años y décadas por venir "
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Materiales proporcionado por Universidad Estatal de Arizona . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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