Kredit:CC0 Public Domain
I årtier, intensiv grundvandspumpning har fået jorden under Californiens San Joaquin Valley til at synke, ødelæggende infrastruktur. Nu er forskning offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation antyder, at når pumpning får jorden til at synke, det udløser også en usynlig trussel mod menneskers sundhed og fødevareproduktion:Det tillader arsen at flytte ind i grundvandsmagasiner, der leverer drikkevand til 1 million mennesker og kunstvanding til afgrøder i nogle af landets rigeste landbrugsjord.
Gruppen fandt, at satellitbaserede målinger af jordsænkning kunne forudsige arsenkoncentrationer i grundvandet. Denne teknik kunne være et tidligt varslingssystem for at forhindre farlige niveauer af arsenkontamination i grundvandsmagasiner med visse egenskaber verden over.
"Arsen i grundvandet har været et problem i rigtig lang tid, " sagde hovedforfatter Ryan Smith, en doktorgradskandidat i geofysik ved School of Earth, Energi- og miljøvidenskab (Stanford Earth). Det er naturligt til stede i jordskorpen og en hyppig bekymring i grundvandshåndtering på grund af dens allestedsnærværende og forbindelser til hjertesygdomme, diabetes, kræft og andre sygdomme. "Men ideen om, at overpumpning til kunstvanding kan øge arsenkoncentrationerne er ny, " sagde Smith.
Vigtigt, gruppen fandt tegn på, at grundvandsmagasiner, der er forurenet som følge af overpumpning, kan komme sig, hvis tilbagetrækningerne stopper. Områder, der viste langsommere synkning sammenlignet med 15 år tidligere, havde også lavere arsenniveauer. "Grundvandet må stort set være blevet vendt, " sagde studie medforfatter Scott Fendorf, en professor i jordsystemvidenskab og en senior fellow ved Stanford Woods Institute for the Environment.
Frigivelse af arsen fra ler
Forskerholdet analyserede arsendata for hundredvis af brønde i to forskellige tørkeperioder sammen med estimater på centimeterniveau af landsynkning, eller synker, fanget af satellitter. De fandt ud af, at når land i San Joaquin-dalens Tulare-bassin synker hurtigere end 3 tommer om året, risikoen for at finde farlige arsenniveauer i grundvandet så meget som tredobles.
Akviferer i Tulare-bassinet består af sand- og gruszoner adskilt af tynde lag ler. Leret virker som en svamp, holder tæt på vandet samt arsen opsuget fra gamle flodsedimenter. I modsætning til sand- og gruslagene, disse lerarter indeholder relativt lidt ilt, hvilket skaber betingelser for, at arsen kan være i en form, der let opløses i vand.
Når pumpning trækker for meget vand fra sand- og grusarealerne, grundvandsmagasinet komprimeres og land synker. "Sand og grus, der blev holdt fra hinanden af vandtryk, begynder nu at presse sig ned på den svamp, " forklarede Fendorf. Arsenrigt vand begynder derefter at sive ud og blandes med vand i hovedakviferen.
Når vandpumpning er langsommere nok til at bremse nedsynkningen – og lette presset på indespærret arsen – trænger rent vand ind fra vandløb, regn og naturlig afstrømning ved overfladen kan gradvist skylle systemet rent.
Imidlertid, studie medforfatter Rosemary Knight, en professor i geofysik og tilknyttet fakultet ved Woods Institute, advarer mod at banke for meget på en forudsigelig genopretning fra overpumpning. "Hvor lang tid det tager at komme sig, vil være meget varierende og afhængig af så mange faktorer, " hun sagde.
Forskerne sagde, at overpumpning i andre grundvandsmagasiner kunne producere de samme forureningsproblemer, som man ser i San Joaquin-dalen, hvis de har tre egenskaber:vekslende lag af ler og sand; en kilde til arsen; og relativt lavt iltindhold, som er almindelig i grundvandsmagasiner placeret under tykt ler.
Truslen kan være mere udbredt end engang troet. Først inden for de sidste par år har forskere opdaget, at ellers godt beluftede grundvandsmagasiner, der betragtes som i vid udstrækning immune over for arsenproblemer, faktisk kan være fyldt med ler, der har de lave iltniveauer, der er nødvendige for, at arsen kan bevæge sig ind i det meste grundvand. "Vi er lige begyndt at erkende, at dette er en fare, sagde Fendorf.
Satellitindsigt
Afsløringen af, at fjernmåling kan slå alarm, før forurening truer menneskers sundhed, giver håb om bedre vandovervågning. "I stedet for at skulle bore brønde og tage vandprøver tilbage til laboratoriet, vi har en satellit, der henter de data, vi har brug for, " sagde Knight.
Selvom brønddata er vigtige for at validere og kalibrere satellitdata, hun forklarede, overvågning på jorden kan aldrig matche bredden og hastigheden af fjernmåling. "Du prøver aldrig en brønd ofte nok til at fange det arsen i det øjeblik, det er i brønden, " sagde Knight. "Så hvor er det fantastisk at have dette fjernmålingssystem til tidlig varsling, så folk kan indse, at de nærmer sig et kritisk punkt med hensyn til vandkvalitet."
Undersøgelsen bygger på forskning ledet i 2013 af Laura Erban, derefter en ph.d.-studerende, der arbejder i Vietnams Mekong-delta. "Det var der, vi begyndte at sige, 'Åh nej, " sagde Fendorf, der var medforfatter til avisen.
Som i San Joaquin-dalen, områder af Mekong-deltaet, hvor jord sank mere, viste højere arsenkoncentrationer. "Nu har vi to steder i helt forskellige geografiske områder, hvor de samme mekanismer ser ud til at virke, " sagde Fendorf. "Det sender en udløser til, at vi er nødt til at tænke på at håndtere grundvandet og sikre, at vi ikke overtrækker grundvandsmagasinerne."