Het Opsporen van Bergwater tot Zijn Verborgen Bronnen

In bergachtige gebieden zoals de Rockies vormen de bovenstroomse beken meer dan 70% van het rivierennetwerk en ondersteunen ze de waterwegen en gemeenschappen stroomafwaarts. Deze bovenstroomse beken zijn ook de thuisbasis van veel vormen van aquatische levensvormen. Hoewel deze bronnen cruciaal zijn, worden ze slechts in beperkte mate gemonitord en zijn aspecten van hun hydrologie niet goed begrepen.

Een team van onderzoekers, waaronder assistent-professor Lijing Wang van de UConn-afdeling Aardwetenschappen, werkt eraan om te bepalen wat invloed heeft op hoe en wanneer water door deze beken stroomt, en welke verborgen bron hen lang na de smeltperiode van de sneeuw voedt. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Water Resources Research.

De piek van het water dat in de bovenstroomse beken komt, komt van smeltende sneeuw. Op verschillende plaatsen in het westen van de Verenigde Staten, zoals de Colorado-locatie die in dit onderzoek centraal staat, gaat een groot deel van de zomerse neerslag verloren door verdamping en wordt opgenomen door de vegetatie. De vraag is dan: waar komt het water dat de beken voedt vandaan na de periode van sneeuwsmelting?

“We weten dat het afkomstig is van de verborgen bron, de ondergrond,” zegt Wang. “Maar hoe wordt dat ondergrondwater opgeslagen en vrijgegeven? Welke eigenschappen zijn belangrijk voor het onderhouden van water in de bovenstroomse beken in het late seizoen?”

Zonder deze cruciale details over de timing van de sneeuwsmelting en de bijdrage vanuit de ondergrond, is het een uitdaging om te voorspellen wanneer en hoeveel water ecosystemen en gemeenschappen stroomafwaarts kunnen verwachten. Aangezien miljoenen mensen afhankelijk zijn van deze stroomgebieden, zal het voorspellen van waterdynamiek steeds belangrijker worden naarmate het klimaat verandert.

Hoe vegetatie en ondergrond de stroom beïnvloeden

De onderzoekers concentreerden zich op twee potentiële factoren, waaronder de vegetatie boven de grond die mogelijk de timing van de sneeuwsmelting beïnvloedt, en verschillende ondergrondse structuren die van invloed kunnen zijn op hoe sneeuwsmelting water opslaat en vrijgeeft naar de bovenstroomse beek. Hoewel deze bergstroomgebieden over het algemeen niet worden gemonitord, zegt Wang dat ze het geluk hadden te werken met een grote dataset die door teamleden was verzameld in het Watershed Function Science Focus Area, geleid door het Lawrence Berkeley National Laboratory voor dit artikel.

Ze combineerden deze grote dataset met een krachtig modelleringsframework waarmee de onderzoekers veel verschillende combinaties konden verkennen om te bepalen welke factoren het belangrijkst zijn, zegt Wang, en ze konden het model aanpassen om uitkomsten te repliceren die overeenkwamen met de waargenomen gegevens, waaronder stroomafvoer, grondwaterstanden en sneeuwdiepten.

“We hebben unieke metingen van sneeuwdiepte met behulp van sondes met meerdere temperatuursensoren die verticaal gestapeld zijn op 18 locaties in ons stroomgebied,” zegt Wang. “Omdat sneeuw een goede isolator is, kunnen de veranderingen in verticaal geresolving temperatuurdata worden gebruikt om sneeuwdiepte te traceren en de timing van de sneeuwsmelting te begrijpen.”

Uit de gegevens over de sneeuwdiepte ontdekten de onderzoekers dat de sneeuw één tot twee weken later smolt in gebieden met altijdgroene bomen in vergelijking met die gedomineerd door struiken, gras of loofbossen, zelfs op dezelfde hoogte. Uit hun model bleek dat deze altijdgroene bomen geleidelijk water uit de sneeuwbedekking naar de beken vrijgeven, waardoor ze fungeren als een buffer tegen overmatige stroom van sneeuwsmelting en een gematigde stroomafvoer over een lange periode behouden. Dit heeft belangrijke implicaties, zegt Wang. Bijvoorbeeld, als deze bossen worden gekapt, kan dit een ernstige impact hebben op de hydrologische dynamiek van het gebied.

Een conceptueel model van afvoer met vegetatie en ondergrondse overgangen.

Na de periode van sneeuwsmelting merkten ze een intrigerend patroon op in hun gegevens over de grondwaterstanden. “We zagen niet alleen één piek in de grondwatertafel waar de sneeuwsmelting de grootste aanvulling op het grondwater geeft en een piek creëert,” legt Wang uit. “Later in het seizoen zagen we een zeer interessante tweede piek in onze gemonitorde putten.”

Wang legt uit dat ze het model, zoals porositeit, doorlatendheid en ondergrondse structuren, hebben aangepast om de ondergrondse omstandigheden te begrijpen die de mysterieuze tweede piek zouden kunnen veroorzaken. “Dit bracht ons dichter bij het begrijpen van deze locatie. We hebben granodioriet aan de bovenkant, en daaronder de Mancos-scheikleur op deze heuvelhelling,” zegt Wang. “Er is een overgang van de bovenste heuvelhelling naar de onderste heuvelhelling en die overgang vertraagt het water. Het is als een badkuip op de bovenste heuvelhelling; sneeuwsmelting vult het, en zodra het te veel druk opbouwt en overloopt, kan de overgang het water niet meer vasthouden. De tweede piek is het resultaat van het water dat eruit stroomt.”

Het begrijpen van ondergrondse controles op waterafvoer

Wat is dan de ondergrondse controle op de stroomafvoer? Wang legt uit dat ze denkt dat doorlatendheid—hoe gemakkelijk water door de grond kan bewegen—een belangrijke factor is voor hoe opgeslagen ondergrondwater naar de beek wordt vrijgegeven. “Zelfs als het water daar is opgeslagen, gaat het nergens heen als je doorlatendheid heel, heel laag is. De stroomafvoer stroomafwaarts zal later in het seizoen heel laag zijn als de bijdrage van de ondergrond door deze lage doorlatendheid wordt geblokkeerd,” zegt Wang.

In wezen hangt de overgang van de stroom van sneeuwsmelting naar de druppel die later in het seizoen overblijft af van hoe sneeuwsmelting water vrijgeeft, wat wordt beïnvloed door vegetatie, hoe het daarna ondergronds wordt opgeslagen, en hoe ondergrondwater uiteindelijk weer naar de beek wordt vrijgegeven.

Verbeteren van voorspellingen voor toekomstige waterbeschikbaarheid

Met deze nieuwe inzichten in hoe stroomafvoer wordt gevoed door grondwateropslag en sneeuwsmelting, kunnen hydrologen modellen beter afstemmen op de juiste redenen. Met de overvloed aan beschikbare gegevens en een flexibel modelleringskader op deze locatie, zegt Wang dat het team een duidelijker begrip krijgt van hoe water wordt opgeslagen in de ondergrond en wordt vrijgegeven aan bovenstroomse beken. Deze kennis kan helpen de onzekerheid bij het voorspellen van waterbeschikbaarheid in deze kritieke systemen te verminderen en beter te begrijpen hoe afnemende stroomafvoer en stijgende watertemperaturen ecosystemen kunnen beïnvloeden.

Wang’s voortdurende werk omvat inspanningen om het model te verbeteren, zodat het kan worden toegepast op andere plaatsen die niet zo intensief worden gemonitord door verschillende soorten proxygegevens te verkennen die kunnen worden gebruikt waar veldgegevens niet beschikbaar zijn. Wang onderzoekt ook AI om de computatiekosten van het bestuderen van deze cruciale bovenstroomse beken te verlagen, zodat we de hydrologische processen in meer bovenstroomse stroomgebieden beter kunnen begrijpen.

“Het is een enorme inspanning om dit allemaal samen te brengen,” zegt Wang. “Als modelleur ben ik dankbaar voor de samenwerking met anderen die dit soort gegevens mogelijk maken. We hebben zoveel bovenstroomse beken in de VS, het is niet mogelijk om naar elke locatie te gaan en deze uitgebreide monitoring uit te voeren. We hebben nieuwe manieren nodig om vooruit te komen en betere voorspellingen te doen van deze kritieke waterbronnen.”