Søger efter vand

Et sted som Delaware, hvor det regner ofte, vand er en vedvarende ressource. Naturlige processer vil genopbygge det vand, der bruges eller forbruges. I et område, hvor regn ikke er så rigeligt, såsom den arabiske halvø, imidlertid, det er afgørende at få styr på, hvor meget godt vand der er tilgængeligt under den tørre ørken i det, der er kendt som fossile grundvandsmagasiner – grundvandsmagasiner, der opbevarer ældre vand.

Neil Sturchio, University of Delaware, professor ved Institut for Geovidenskab i UD's College of Earth, Hav og miljø, med kolleger fra flere andre institutioner, var med til at skrive et papir i Journal of Hydrologi der vurderede alderen, oprindelse og bæredygtighed af fossile grundvandsmagasiner i Mega Aquifer System (MAS) på den arabiske halvø.

MAS ligger til grund for de fleste af de store ørkener på den arabiske halvø og er et af de største akvifersystemer i den tørre verden, besætter territoriet i Saudi-Arabien, Irak, Jordan, Oman, Yemen og De Forenede Arabiske Emirater.

Sturchio gennemførte geokemiske og isotopiske undersøgelser, der hjalp med at bestemme vandets kvalitet og alder, som viste, hvordan alderen forholder sig til hydrologien og grundvandsmagasinets historie.

Isotopmålinger er kraftfulde værktøjer til at spore fugtkilden til en grundvandsmagasin og grundvandets opholdstid og strømningsvej, især når det bruges sammen med numeriske flowmodeller, der indeholder vandstandshøjdemålinger og akvifer hydrauliske egenskaber.

Hydrogen- og oxygenisotopforhold i vandmolekylet blev brugt til at spore dets fugtkilde, og de radioaktive isotoper carbon-14 og chlor-36 blev brugt til at evaluere vandets opholdstid (alder) under overfladen.

At kende alderen på vandet i grundvandsmagasinerne hjælper forskerne med at forstå, hvor hurtigt eller langsomt de genoplades, vital information til bæredygtig styring af vandforbrug.

Sturchio sagde, at denne undersøgelse var vigtig, fordi dette område af verden ikke har haft mange moderne, topmoderne undersøgelser udført for at vise, hvordan man effektivt kan administrere deres ressourcer.

"Deres befolkning vokser, så de oplever alle de sædvanlige problemer, der følger med at have mange mennesker, og vand bliver mere og mere et problem, " sagde Sturchio.

Fossilt grundvand

Mens meget af landskabet på Den Arabiske Halvø modtager mindre end 25 millimeter regn om året, i tidligere vådere klimaperioder fik disse områder større mængder nedbør, som hjalp med at genoplade deres akviferer.

Dette grundvand betragtes nu som fossilt, men i områder af MAS, der modtager større mængder nedbør - hovedsageligt de bjergrige områder i den sydlige del af MAS, der ligger til grund for Rub Al Khali (RAK) ørkenen - blandes det ældre vand med det nye, da akviferer modtager moderne genopladning fra nedbør.

I modsætning til den sydlige del af MAS, som på de nuværende niveauer af vandudvinding kan bruges til udvikling af bæredygtigt landbrug i Saudi-Arabien, de centrale og nordlige sektioner af MAS bliver overdrevet udnyttet, når det kommer til grundvandsindvinding.

Fordi de viser tegn på alvorlig fald i vandstanden, det er vigtigt at bestemme vandets alder for at vise, hvor hurtigt grundvandsmagasinerne genopbygger sig selv. Dette vil hjælpe med at identificere placeringer og udvikle scenarier, hvormed ressourcerne kan forvaltes på en bæredygtig måde.

Føler vand på afstand

Ud over de sædvanlige kemiske og isotopiske målinger, der hjælper med at datere vandet og fortælle om vandkvaliteten, forskerne brugte observationer fra Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellitmissionen, der blev opsendt i 2002 af U.S. National Aeronautics and Space Administration (NASA) og German Aerospace Center til at hjælpe med at måle vandstandene i grundvandsmagasinerne.

GRACE-satellitterne kortlægger variationerne i Jordens globale tyngdefelt på månedsbasis. Ved at bruge data fra satellitterne, forskere var i stand til at få vandbalanceberegninger, opdage variationer i vandlagring over bassiner og skelne til opladning og afladning af akvifer.

"År efter år, du kan sammenligne tyngdekraftsmålingerne over et bestemt område og se, hvordan de ændrer sig. Alt andet lige, det meste af ændringen i tyngdekraften er på grund af tilsætning eller subtraktion af vand, fordi intet andet virkelig ændrer sig så meget. Stenene sidder bare der, " sagde Sturchio. "Disse gravitationssatellitter er følsomme over for ændringer i grundvandsvolumen. Hvis du pumper det ud for hurtigt, du vil se, at mængden af ​​grundvand gradvist aftager."

Ud over GRACE, forskerne brugte også data fra satellitbaserede nedbørsmålinger og udførte feltundersøgelser over RAK-akvifersystemet.

Vandrende vand

Denne kombination af fjernmåling, geokemiske og feltundersøgelser blev også brugt til at bestemme, hvor vandet stammer fra, samt kvaliteten af ​​vandet.

De så på stien, som vandet tager for at komme til visse grundvandsmagasiner og fandt ud af, at det meste af vandet følger et dræningssystem fra vest til øst, samler nedbør over Rødehavets bakker og flyder hen over den arabiske halvø.

"Vi kunne se, at det meste af vandet under ørkenen er fra bjergene i den vestlige del af Saudi-Arabien og den sydvestlige del af den Arabiske Halvø, " sagde Sturchio.

Grundvand, der er placeret længere ude i den østlige del af ørkenen, er ældre og isotopisk anderledes end grundvandet tættere på Rødehavets bakker, hvilket indikerer, at det blev deponeret fra bakkerne under forskellige klimatiske forhold for mange år siden under den pleistocene epoke, en tidsperiode, der begyndte for omkring 2,6 millioner år siden.

Det er også mere salt og uegnet til drikke- og landbrugsformål. Grundvandet stammer fra bjergene gennem genopladning af nedbør, passerer derefter gennem saltstensformationer, hvilket gør vandet i grundvandsmagasinerne salt som et resultat.

"Det er saltere end havvand, og det kan i så fald ikke bruges til noget, " sagde Sturchio, som tilføjede, at alderen på vandet i den østlige del af den arabiske halvø er omkring en million år gammel og mere.

Anbefalinger om bæredygtighed

Efter at have bestemt alderen og oprindelsen af ​​de fossile grundvandsmagasiner, forskerne var i stand til at komme med anbefalinger om bæredygtigheden af ​​grundvandsressourcer.

I de centrale og nordlige sektioner af MAS, bæredygtig vandindvinding kan opnås med de nuværende afgrøde- og kunstvandingsordninger ved at reducere den årlige udvinding og holde den mere på linje med den hastighed, hvormed den delvist genopfyldes af nedbør. En anden mulighed ville være at udskifte de vandintensive afgrøder, såsom hvede og lucerne, der i øjeblikket dyrkes i området med vandbesparende afgrøder som kartofler eller sukkerroer.

På de nuværende udvindingsniveauer, de sydlige dele af MAS kan bruges til udvikling af bæredygtigt landbrug i Saudi-Arabien og give en replikerbar og omkostningseffektiv model for området.