每年，數百萬名造訪大峽谷國家公園的遊客都會在園區的飲水站駐足。有些人站在峽谷邊緣，第一次看到這壯麗的景色，並在繼續旅程前裝滿水瓶。有些人則深入谷底，在極端高溫下健行，補充飲水並將水淋在身上，以避免脫水和中暑的危險。

這些水源來自單一來源：咆哮泉（Roaring Springs），一個位於北緣、由洞穴供給的泉水。雖然健行者可以從北凱巴布步道（North Kaibab Trail）聽到並瞥見這個泉水，但沒有直接通往它的步道。咆哮泉不僅為遊客提供水源，也滋養著依賴它的植物、動物和生態系統。隨著該地區變得越來越炎熱乾燥，保護這個重要的水源變得日益重要。

北亞利桑那大學資訊學、計算與網路系統學院的研究人員正致力於更深入地了解咆哮泉和其他由洞穴供給的泉水是如何運作的。在大峽谷國家公園資助的一項新補助金的支持下，該團隊將擴大繪製這些水文系統地圖的努力，並調查融雪與泉水之間的關聯。

「了解水源的滲入點對於基礎設施、動物、植物以及依賴這些泉水的其他生態系統至關重要，」生態資訊學博士生 Blase LaSala 表示。「牠們就像綠洲一樣。」

該項目的初步研究成果最近發表在《科學報告》（Scientific Reports）期刊上。

繪製大峽谷隱藏洞穴的地圖

大多數人將永遠不會進入供給大峽谷泉水的水道洞穴。這些洞穴不對公眾開放，且通常遠離既有的步道。因此，科學家對它們的了解大多來自專門的繪圖項目。

為了他的博士研究，LaSala 與遙感專家 Teki Sankey 教授合作，創建了幾個洞穴系統的詳細地圖。使用移動式光達掃描儀（lidar scanner），該團隊製作了高解析度的三維模型，以驚人的細節捕捉了洞穴的牆壁、天花板、通道和腔室。

在 45 天內，研究人員、志工和公園員工記錄了超過 10 公里的地下通道和房間。

「我從不知道這些洞穴有多大、多長，」Sankey 說。「我們能夠製作出真正高解析度的 3D 地圖，從遙感角度來看，這就是它的獨特和新穎之處。大峽谷的洞穴從未以這種方式進行 3D 繪圖。」

這項工作需要大量的後勤支援。團隊成員攜帶重達 55 磅的背包，包括光達設備，徒步前往偏遠的洞穴入口，這些入口可能需要長達兩天的時間才能到達。進入洞穴後，他們攀爬、下降、爬行，甚至游過被淹沒的區域，同時記錄洞穴的形狀和斷裂模式。

這些細節很有價值，因為洞穴的形成遵循可識別的地質過程。通道、裂縫和開口的排列可以揭示水如何在峽谷下方的不同岩層中流動。

追蹤融雪至咆哮泉

水源來自何處的最簡單解釋是地表，特別是凱巴布高原（Kaibab Plateau）的融雪。

更難的問題是，水在地下如何流動，然後才從咆哮泉等泉水中湧出。

由洞穴供給的泉水位於紅岩（Redwall）和穆阿夫（Muav）石灰岩地層中。在這些泉水和上方的地表之間，還有其他幾層岩石。公園先前進行的染料追蹤實驗表明，水可以在這個地下系統中以驚人的速度移動。

NAU 地球與永續發展學院教授 Abe Springer 是該項目的合作者，他曾與公園合作進行染料追蹤研究。在一些測試中，倒入高原上落水洞（sinkholes）的染料大約移動了 20 公里，並在短短一週內出現在泉水中。

水如何在地下移動仍然不確定。斷層、岩石滲透性和地下通道等因素都會影響其旅程。

「論文工作是建立我們在地表看到的與我們在地下數百或數千英尺處看到的之間的地理聯繫，」Sankey 說。

「這就像看一個黑盒子，」LaSala 補充道。「你看到進來的和出來的，但很難量化裡面發生了什麼。現在我們知道了模式，就可以真正開始將數據與泉水隨時間的變化聯繫起來。」

水質與污染風險

了解這些地下通道的重要性不僅在於科學好奇心。它對水質和公共安全也有實際意義。

大峽谷最大的泉水由喀斯特（karst）系統供給，Sankey 將其比喻為「瑞士起司」，因為岩石中有許多孔洞、通道和開口。水可以通過這些通道快速移動，幾乎沒有自然過濾的機會。

這意味著污染物也可能快速移動。來自野火燃燒區的徑流或大腸桿菌等細菌可能會進入與咆哮泉洞穴相連的落水洞，並到達供水系統。如果檢測到污染，公園官員可能需要暫時關閉抽水作業，直到問題得到解決。

通過確定水進入系統的位置並追蹤其移動方式，研究人員可以幫助管理者查明污染源，並降低未來中斷的風險。

關於融雪和落水洞的新研究

該項目的下一階段預計於 2026 年初開始。

利用數十年來收集的航空光達調查和衛星觀測數據，LaSala 和 Sankey 計劃繪製大峽谷兩側的落水洞地圖，同時檢視過去 40 年的積雪和融雪模式。

大部分即將進行的工作將側重於地表特徵，儘管研究人員仍然對有機會時探索新發現的洞穴感興趣。

目標是更好地了解影響落水洞形成、消失的溪流和地下水流動的地質過程。研究人員將把在地表觀察到的模式與在洞穴內記錄的模式進行比較。研究結果也將指導未來的染料追蹤實驗。

融雪是一個特別重要的重點，因為亞利桑那州的降雪量隨著時間推移而下降，大峽谷地區也遵循相同的趨勢。

該項目將創建一個廣泛的環境數據檔案庫，可以與光達和其他成像資源結合，以增強對該地區水文系統的理解。

研究成果為何對亞利桑那州以外地區也很重要

儘管這項研究直接惠及大峽谷國家公園，但其意義遠超亞利桑那州北部。

全球有超過十億人依賴喀斯特泉水供水。增進科學家對水如何在這些複雜的地下系統中流動的理解，有助於為全球水資源管理工作提供資訊。

這些發現也可能對位於公園內或附近的美國原住民部落有所幫助。

「很高興能發現驗證 50 多年前假設的模式，」LaSala 說。「我們現在擁有所有這些驚人的數據，並試圖將其與其他數據結合以尋找有用的東西。有許多地方可以從這種分析中受益。」

龍布拉沃野火（Dragon Bravo Fire）如何影響研究

研究人員預計龍布拉沃野火將影響未來的觀測，但他們認為這是一個需要納入工作中的因素，而不是改變整體任務的障礙。

當被問及野火可能如何影響該項目時，LaSala 和 Sankey 都承認科學研究中經常出現意想不到的發展。

「這是我們研究的一個新轉折，」Sankey 說。

野火對凱巴布高原的影響可能會改變研究人員正在監測的一些環境條件。隨著項目的繼續，這些變化將被納入分析中，團隊計劃盡可能協助公園了解野火的影響。