El monzón de verano en los desiertos del suroeste de EE. UU. Es conocido por traer torrentes de agua, a menudo llenando lechos de arroyos secos e inundando calles urbanas. Un error común al observar el rápido movimiento del agua generada por las tormentas monzónicas es que la mayor parte del agua es arrastrada a grandes ríos. y muy poco se filtra a los acuíferos subterráneos.

Usando 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 Fundación Nacional de Ciencias ha estado estudiando el destino de las lluvias monzónicas y su impacto en la recarga de agua subterránea en el desierto de Chihuahua de Nuevo México.

Sus hallazgos, publicado recientemente en la revista Investigación de recursos hídricos , explicar cómo una sorprendente cantidad de lluvia, casi el 25 por ciento, de las tormentas monzónicas se absorbe en pequeños lechos de arroyos 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 reproducía las observaciones 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 los acuíferos subterráneos cercanos al 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 agua superficial renovable para uso futuro como recurso de agua subterránea en el árido suroeste y en todo el mundo."

Ocho años de trabajo de campo conducen a nuevos conocimientos

De 2010 a 2018, el equipo, que incluyó a varios estudiantes de pregrado y posgrado de ASU y colaboradores de la Universidad Estatal de Nuevo México y el Departamento de Agricultura de EE. UU. recopiló datos de una red de monitoreo de cuencas hidrográficas establecida en la Cordillera Experimental Jornada en Nuevo México. Se enfocaron específicamente en medir las condiciones hidrológicas y ecológicas en las laderas del piedemonte, localmente conocido como "bajadas, "que conectan las cadenas montañosas con los valles fluviales, pero a menudo se han ignorado 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 de posgrado en la Escuela de Exploración de la Tierra y el Espacio de ASU cuando se realizó la investigación publicada. El Dr. Schreiner-McGraw visitó el 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 se produzcan determinadas condiciones. En este estudio, nos beneficiamos de tener una secuencia de monzones húmedos de verano que produjeron precipitaciones superiores al promedio ".

Durante este tiempo, el equipo recopiló datos de alta resolución sobre las precipitaciones, flujo de corriente humedad del suelo y evapotranspiración utilizando una variedad de instrumentos que operan de manera coordinada. Usando datos a largo plazo de estos sensores, Schreiner-McGraw identificó que grandes cantidades de lluvia entrante, especialmente durante los monzones húmedos, no se estaba perdiendo a la atmósfera a través de la evapotranspiración ni al sistema de canales como flujo de agua. En lugar de, la escorrentía se estaba perdiendo como filtración en pequeños canales de no más de dos pies de ancho, un hallazgo inesperado.

Simulación de adónde 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 pie de monte podrían conducir a la recarga de las aguas subterráneas. "Los suelos de 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 alrededor de 30 a 50 centímetros por debajo de la superficie que limitan la infiltración. Canales por otra parte, 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 instrumentada, originalmente desarrollado 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 con un conjunto de datos a largo plazo, incluida la evapotranspiración, la humedad del suelo, caudal y percolación. "Es poco común tener un modelo hidrológico probado tan a fondo, "dice Vivoni." Al realizar iteraciones de observaciones de campo y desarrollos de modelos, demostramos el valor de la investigación a largo plazo ".

Luego, el equipo de investigación utilizó el modelo numérico para aislar dos factores importantes que afectan el proceso de percolación:las propiedades de infiltración de las laderas y de los tramos de los canales. Las simulaciones indicaron efectos divergentes de estos factores en la proporción de lluvia que recarga los sistemas de agua subterránea. Estos hallazgos son aplicables a las laderas áridas del piedemonte en cualquier lugar de la Tierra. "Comprender el proceso de recarga del agua subterránea en las regiones áridas puede ayudarnos a gestionar de forma sostenible el uso del agua subterránea en estos entornos climáticos, "dice Schreiner-McGraw.

Con el agua convirtiéndose en un recurso cada vez más preciado, Una mejor comprensión de cómo se recarga el agua subterránea podría ayudar a las comunidades de todo el mundo. "El agua subterránea se parece mucho a una cuenta bancaria, ", explica Vivoni." Los acuíferos subterráneos pueden almacenar agua procedente de sistemas superficiales que pueden extraerse posteriormente en períodos de escasez de agua ".

Efectos del cambio de vegetación a través de la conexión tierra-agua

El desierto de Chihuahua, como muchas áreas del suroeste de EE. UU., ha experimentado una transición en las comunidades de vegetación de pastizales a tierras de arbustos. "Históricamente, hemos utilizado grandes áreas abiertas del oeste de EE. UU. 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 arbustivas.

Queda una pregunta abierta sobre si esta transición ha impactado el proceso de recarga de agua subterránea en las laderas del piedemonte. "Hemos examinado cómo la cuenca instrumentada contribuye a la recarga del agua subterránea en las condiciones actuales, ", dice Schreiner-McGraw." El siguiente paso en la investigación es determinar cómo se alterarían estas contribuciones en diferentes comunidades de plantas ". Aquí, el modelo hidrológico se utilizará como laboratorio numérico para determinar cómo los cambios de vegetación alteran la recarga de las aguas subterráneas, por ejemplo, en un escenario histórico de pastizales o en un caso de desertificación y ausencia de vegetación.

"El futuro de los recursos hídricos para los seres humanos y la vida silvestre es incierto, "añade John Schade, director del programa de Investigación Ecológica a Largo Plazo de la National Science Foundation, que financió la investigación. "Estudios como este son esenciales para una gestión adecuada del agua frente 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. Mejora nuestra capacidad para pronosticar cómo cambiará la disponibilidad de agua dulce en los años y décadas venideros ".