Capteur d'humidité du sol à neutrons à rayons cosmiques qui a été utilisé pour mesurer l'humidité moyenne du sol de l'ensemble du bassin versant, Désert de Chihuahua, Nouveau Mexique. Crédit :ASU
La mousson d'été dans les déserts du sud-ouest des États-Unis est connue pour apporter des torrents d'eau, remplissant souvent les lits des cours d'eau asséchés et inondant les rues urbaines. Une idée fausse commune lors de l'observation de l'eau en mouvement rapide générée par les tempêtes de mousson est que la plupart de l'eau est emportée dans les grandes rivières, avec très peu de percolation dans les aquifères souterrains.
En utilisant une combinaison d'instruments de terrain, des véhicules aériens sans pilote et un modèle hydrologique, une équipe de chercheurs de l'Arizona State University et du programme de recherche écologique à long terme Jornada de la National Science Foundation étudie le sort des précipitations de mousson et leur impact sur la recharge des eaux souterraines dans le désert de Chihuahuan au Nouveau-Mexique.
Leurs découvertes, récemment publié dans la revue Recherche sur les ressources en eau , expliquer comment une quantité surprenante de précipitations, près de 25 pour cent, des tempêtes de mousson est absorbé dans les petits lits des cours d'eau et s'infiltre dans le système d'eau souterraine. Les chercheurs ont identifié les facteurs affectant le processus de percolation grâce à l'utilisation d'un modèle numérique qui reproduisait les observations à long terme obtenues sur un site de recherche hautement instrumenté.
"Les résultats de cette étude montrent que les tempêtes de mousson jouent un rôle important dans la recharge des aquifères souterrains près du point de génération de ruissellement, " déclare l'hydrologue de l'ASU Enrique Vivoni de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace et de l'École d'ingénierie durable et de l'environnement bâti. monde."
Huit ans de travail sur le terrain mènent à de nouvelles connaissances
De 2010 à 2018, l'équipe, qui comprenait plusieurs étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs de l'ASU et des collaborateurs de l'Université d'État du Nouveau-Mexique et du Département de l'agriculture des États-Unis, ont collecté des données à partir d'un réseau de surveillance des bassins versants établi dans la chaîne expérimentale de Jornada au Nouveau-Mexique. Ils se sont concentrés spécifiquement sur la mesure des conditions hydrologiques et écologiques sur les pentes du piémont, localement connu sous le nom de "bajadas, " qui relient les chaînes de montagnes aux vallées fluviales, mais ont souvent été ignorées en tant que sources de recharge des eaux souterraines.
Auteur principal, Adam Schreiner-McGraw menant des recherches sur le terrain pour cette étude, Désert de Chihuahua, Nouveau Mexique. Crédit :ASU
Adam Schreiner-McGraw, actuellement stagiaire postdoctoral à l'Université de Californie, Riverside et auteur principal de l'étude, était un étudiant diplômé de l'École d'exploration de la Terre et de l'espace de l'ASU lorsque la recherche publiée a été menée. Le Dr Schreiner-McGraw a visité le site du bassin versant toutes les trois semaines pendant plus de six ans pour recueillir des données hydrologiques, maintenir le vaste réseau d'instruments, et effectuer l'échantillonnage du site nécessaire pour configurer et tester le modèle hydrologique destiné à mieux comprendre les conditions sur le terrain.
« En hydrologie, " dit Vivoni, « vous devez attendre que certaines conditions se produisent. Dans cette étude, nous avons bénéficié d'une séquence de moussons d'été humides produisant des précipitations supérieures à la moyenne."
Pendant ce temps, l'équipe a collecté des données à haute résolution sur les précipitations, courant d'eau, l'humidité et l'évapotranspiration du sol à l'aide d'une variété d'instruments fonctionnant de manière coordonnée. En utilisant les données à long terme de ces capteurs, Schreiner-McGraw a identifié que de grandes quantités de précipitations entrantes, surtout pendant les moussons humides, n'était pas perdu dans l'atmosphère par évapotranspiration ni dans le système de canaux sous forme d'écoulement fluvial. Au lieu, les eaux de ruissellement étaient perdues par percolation dans de petits canaux de pas plus de deux pieds de largeur, une découverte inattendue.
Simuler la direction de l'eau :un modèle hydrologique amélioré
En suivant le sort des pluies de mousson, l'équipe de recherche s'est attachée à expliquer comment les pentes des collines et les canaux de la pente du piémont pourraient conduire à la recharge des eaux souterraines. « Les sols des coteaux sont très différents de ceux des canaux, " explique Schreiner-McGraw. " Ils sont compacts et n'absorbent pas l'eau très rapidement, et ils ont également des couches de carbonate de calcium à environ 12 à 20 pouces sous la surface qui limitent l'infiltration. Chaînes, d'autre part, ont des sédiments grossiers et perméables qui peuvent absorber l'eau beaucoup plus rapidement."
Ces informations ont permis de modifier un modèle hydrologique du bassin versant instrumenté, développé à l'origine pendant les études supérieures de Vivoni au Massachusetts Institute of Technology. Sur la base de leur travail sur le terrain, l'équipe de recherche a testé le modèle par rapport à une série de données à long terme, y compris l'évapotranspiration, l'humidité du sol, écoulement et percolation. "Il est rare qu'un modèle hydrologique soit testé aussi minutieusement, " dit Vivoni. " En effectuant des itérations d'observations sur le terrain et des développements de modèles, nous avons démontré la valeur de la recherche à long terme.
Canal utilisé pour mesurer le débit, situé à l'exutoire du bassin versant, Désert de Chihuahua, Nouveau Mexique. Crédit :ASU
L'équipe de recherche a ensuite utilisé le modèle numérique pour isoler deux facteurs importants affectant le processus de percolation :les propriétés d'infiltration des versants de collines et des tronçons de canaux. Les simulations ont indiqué des effets divergents de ces facteurs sur la proportion de précipitations qui recharge les systèmes d'eaux souterraines. Ces découvertes sont applicables aux pentes de piémont arides n'importe où sur Terre. « Comprendre le processus de recharge des eaux souterraines dans les régions arides peut nous aider à gérer durablement l'utilisation des eaux souterraines dans ces contextes climatiques, " dit Schreiner-McGraw.
L'eau devenant une ressource de plus en plus précieuse, une meilleure compréhension de la façon dont les eaux souterraines sont rechargées pourrait aider les communautés à travers le monde. « L'eau souterraine est un peu comme un compte bancaire, " explique Vivoni. " Les aquifères souterrains peuvent stocker de l'eau provenant des systèmes de surface qui peuvent ensuite être extraits en période de pénurie d'eau. "
Effets du changement de végétation à travers la connexion terre-eau
Le désert de Chihuahua, comme de nombreuses régions du sud-ouest des États-Unis, a connu une transition dans les communautés végétales des prairies aux terres arbustives. "Nous avons historiquement utilisé de grandes zones ouvertes de l'ouest des États-Unis et du nord du Mexique pour le pâturage du bétail, " déclare Vivoni. " En conséquence, de nombreuses prairies ont disparu et ont été remplacées par des arbustes du désert. la sécheresse et la suppression des incendies ont contribué à la conversion des graminées en terres arbustives.
Une question reste ouverte quant à savoir si cette transition a eu un impact sur le processus de recharge des eaux souterraines dans les pentes du piémont. "Nous avons examiné comment le bassin versant instrumenté contribue à la recharge des eaux souterraines dans les conditions actuelles, " dit Schreiner-McGraw. " La prochaine étape de la recherche consiste à déterminer comment ces contributions seraient modifiées sous différentes communautés végétales. " Ici, le modèle hydrologique sera utilisé comme laboratoire numérique pour déterminer comment les changements de végétation modifient la recharge des eaux souterraines, par exemple dans un scénario de prairie historique ou dans un cas de désertification et d'absence de végétation.
"L'avenir des ressources en eau pour l'homme et la faune est incertain, " ajoute John Schade, directeur du programme de recherche écologique à long terme de la National Science Foundation, qui a financé la recherche. « Des études comme celle-ci sont essentielles à une bonne gestion de l'eau face aux changements environnementaux rapides, surtout dans les terres arides où l'eau est rare. Cette étude est un exemple du rôle essentiel que joue la recherche à long terme pour découvrir ce qui contrôle la disponibilité de l'eau douce. Cela améliore notre capacité à prévoir comment la disponibilité de l'eau douce changera dans les années et les décennies à venir. »
