美国西南部沙漠地区的夏季季风通常会带来洪水，经常淹没干涸的河床和城市街道。在观察季风风暴产生的快速流动的水时，一个常见的误解是，大部分水被冲走，流入大河，只有很少一部分渗入地下蓄水层。利用现场设备，无人飞行器和水文模型的组合，来自亚利桑那州立大学的研究团队以及国家科学基金会的Jornada长期生态研究计划研究了季风降雨的命运以及它对新墨西哥州奇瓦瓦沙漠的地下水影响。研究成果最近发表在《水资源研究》(Water Resources Research)上，解释了季风风暴带来近25%的惊人降雨量是如何被小型河床吸收并渗入地下水系统。
博科园-科学科普：研究人员通过使用一个数值模型确定了影响渗流过程的因素，该数值模型再现了在一个高度仪器化研究地点获得的长期观察结果。美国亚利桑那州立大学地球与空间探索学院和可持续工程与建筑环境学院的水文学者Enrique Vivoni说：这项研究的结果表明，季风风暴在径流产生点附近的地下水含水层中起着重要作用。这是一个重要的过程，将可再生地表水储存起来，作为干旱西南地区和全世界的地下水资源。从2010年到2018年，这个由来自亚利桑那州立大学的几名本科生和研究生以及来自新墨西哥州州立大学和美国农业部合作者组成的团队，从新墨西哥州Jornada试验场建立的流域监测网络中收集数据。
宇宙射线中子土壤湿度传感器，用于测量整个流域的平均土壤湿度，奇瓦瓦沙漠，新墨西哥州。图片：ASU
专注于测量山前斜坡的水文和生态条件，当地称为“bajadas”，连接山脉和河谷，但经常被忽略作为地下水补给的来源。在六年多的时间里每隔三周访问流域地点，收集水文数据，维护广泛的仪器网络，并进行实地取样，以便建立和测试水文模型，以便进一步了解实地情况。在水文学中，必须等待某些条件发生，在这项研究中，受益于连续夏季雨季带来了高于平均水平的降雨。在此期间，该小组利用各种协调工作的仪器收集了关于降雨、水流、土壤湿度和蒸散发的高分辨率数据。Schreiner-McGraw利用这些传感器获得的长期数据，确认了大量流入的降雨，特别是在潮湿的季风期间，并没有通过蒸发蒸腾作用或从河道系统中以流的形式流失到大气中。
相反，径流由于在宽度不超过两英尺的小沟渠中渗漏而流失——这是一个意想不到的发现。模拟水的流向（一种改进的水文模型）。通过追踪季风降水的命运，研究小组着手解释山前斜坡和山前斜坡的河道如何导致地下水补给。Schreiner-McGraw解释说：山坡上的土壤和沟渠里的很不一样，结构紧凑，不容易吸水，而且在地表以下12到20英寸的地方也有碳酸钙层，限制了渗透，另一方面，河道有粗而可渗透的沉积物，可以更快地吸收水分。这些信息被用来修改仪器化流域的水文模型，该模型最初是在Vivoni在麻省理工学院研究生学习期间开发的。根据野外工作，研究小组对模型进行了一系列长期数据的测试，包括蒸散、土壤湿度、径流和渗流。
该研究的主要作者，亚当·施赖纳-麦格劳在新墨西哥州吉娃娃沙漠进行实地研究。图片：ASU
对水文模型进行如此彻底的测试是很罕见的，通过反复进行现场观测和模型开发，证明了长期研究的价值。研究小组随后利用数值模型分离出影响渗流过程的两个重要因素：山坡和河道入渗特性。模拟结果表明，这些因素对补充地下水系统的降雨比例有偏离效应，这些发现适用于地球上任何地方的干旱山前斜坡。了解干旱地区的地下水补给过程可以帮助我们在这些气候环境中可持续地管理地下水的使用。随着水资源日益成为一种宝贵的资源，更好地了解地下水的补给方式可以帮助全球各地的社区。
地下水很像银行账户，地下蓄水层可以储存来自地表系统的水，然后在缺水时期提取这些水。吉娃娃沙漠，像美国西南部的许多地区一样，经历了植被群落从草原到灌木地的转变。曾经在美国西部和墨西哥北部的大片空地上放牧。结果许多草原消失了，取而代之的是沙漠灌木。此外干旱和火灾的抑制也促进了禾草向灌木地的转化。这一转变是否影响了山前斜坡的地下水补给过程，仍然是一个悬而未决的问题。研究人员已经研究了仪器化的小流域如何在当前条件下帮助地下水补给。研究的下一步是确定在不同的植物群落下这些贡献将如何改变。
水槽用于测量水流，位于分水岭的出口，奇瓦瓦沙漠，新墨西哥。图片：ASU
在此水文模型将被用作一个数值实验室，以确定植被的变化如何改变地下水补给，例如在一个历史的草原场景或沙漠化和没有植被的情况下。美国国家科学基金会(National Science Foundation)的长期生态研究项目负责人约翰?沙德(John Schade)说：人类和野生动物水资源的未来是不确定的。在环境迅速变化的情况下，特别是在缺水的干旱地区，这样的研究对于正确管理水资源至关重要。这项研究是长期研究在揭示控制淡水可用性的因素方面所起的关键作用的一个例子，提高了预测未来几年和几十年淡水供应将如何变化的能力。
博科园-科学科普｜参考期刊文献 :《Water Resources Research》｜研究/来自：亚利桑那州立大学，DOI: 10.1029/2018WR022842
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