Forskere finder ud af, at pumpning trækker ungt grundvand til nye dybder, potentielt med forurenende stoffer på slæb

Hvor gammelt er dit vand? Det kan umiddelbart virke som et ejendommeligt spørgsmål, men der er reelle konsekvenser for, hvor lang tid en dråbe vand har brugt under jorden. Forskning tyder på, at vandkredsløbet accelererer nogle steder som følge af menneskelig virksomhed.

Forskere ved UC Santa Barbara opdagede, at relativt ungt grundvand har tendens til at nå dybere dybder i kraftigt pumpede akvifersystemer, hvilket potentielt bringer overfladebårne forurenende stoffer med sig. Undersøgelsen, ledet af nyere postdoc-stipendiat Melissa Thaw, vises i Nature Communications .

"Vi tror normalt, at dybt grundvand er sikkert fra de forurenende stoffer, der findes tættere på jordens overflade," sagde Thaw. "Men intensiv grundvandspumpning trækker nyligt genopfyldt grundvand til dybere dybder, hvilket potentielt også trækker forurenende stoffer ned."

Grundvandet tager tid at bevæge sig rundt i den underjordiske verden og flyder mellem jordpartikler og gennem sprækker i klippen. Dagens regndråber er måske ikke morgendagens brøndvand; faktisk er de måske ikke engang næste årtis brøndvand. "Halvdelen eller mere af alt det grundvand, der er lagret på planeten, er regn og sne, der faldt for mere end 12.000 år siden," sagde Scott Jasechko, lektor ved UC Santa Barbara's Bren School of Environmental Science &Management. Intuitivt, jo dybere du ser, jo ældre er vandet generelt.

Thaw og andre postdoc Merhawi GebreEgziabher GebreMichael arbejdede sammen med seniorforfatter Jasechko og Jobel Villafañe-Pagán, en bachelorstuderende ved University of Puerto Rico, Mayagüez, som sluttede sig til holdet via Geosciences Education &Mentorship Support-programmet. Sammen forsøgte forfatterne at bestemme, hvordan pumpning påvirker bevægelsen af ​​grundvand. Til dette formål udnyttede de et datasæt med koncentrationer af en sjælden form for brint, kendt som tritium, i 15.000 grundvandsboringer i det sammenhængende USA.

Forskere har brugt tritium til at spore grundvand siden 1960'erne. Denne radioaktive sort, eller isotop, af brint forekommer naturligt på Jorden, for det meste i lave koncentrationer i stratosfæren, hvor den produceres ved højenergipartikelkollisioner. Tritium kan erstatte de mere almindelige versioner af brint i vandmolekyler (H₂ O), hvilket gør forbindelsen let radioaktiv.

Tritiums koncentration steg drastisk i det 20. århundrede på grund af atomprøvesprængninger fra midten af ​​1950'erne indtil traktaten om delvist forbud mod atomprøvesprængninger i 1963. Så der var en puls af radioaktivt brint indført i verden i midten af ​​1900'erne. Meget af det regnede ud, og noget af det sivede ned i jorden og blev til grundvand. Forskere kan bruge tritiumkoncentrationer til at identificere nyere grundvand, som de definerer som vand, der sivede ned i jorden efter 1953.

Forfatterne grupperede nærliggende brønde sammen i 74 akvifersystemer. Dette gjorde det muligt for dem at analysere tritiumniveauerne i grundvandet på forskellige dybder i hvert system. De brugte disse målinger til at beregne andelen af ​​hver prøve, der var fra moderne nedbør. Deres afskæring for "gammelt" grundvand var enhver prøve bestående af mindre end 25 % moderne grundvand.

Forskerne kiggede derefter på, hvordan denne metrik varierede på tværs af forskellige dybder inden for hvert akvifersystem. Ikke overraskende havde procentdelen af ​​moderne grundvand en tendens til at være højest nær overfladen og falde i dybden. Men hvor denne overgang fandt sted, varierede på tværs af forskellige områder.

Holdet havde nu en idé om, hvor dybt moderne grundvand var gennem de systemer, de studerede, men de manglede stadig noget at sammenligne det med. Undergrundsgeologien er rodet, og det påvirker, hvor hurtigt grundvandet kan bevæge sig. For eksempel tager vand mere tid om at synke ned i mindre permeable lag, som ler.

Så forfatterne brugte lokal geologi til at karakterisere grundvandets bevægelse. "For hvert af de forskellige undersøgelsesområder estimerede vi, hvor dybt du skal gå, indtil du rammer et tykt lavpermeabilitetslag," sagde Jasechko. I nogle områder kan det være lige fod under overfladen, mens det i andre kan være hundredvis af fod.

"Analysen af ​​miljøisotoper kombineret med analyse af begrænsende enhedsdybder gjorde os i stand til at forstå virkningen af ​​overdreven pumpning på nedadgående strømning," sagde medforfatter GebreEgziabher GebreMichael.

Endelig kunne forfatterne teste deres hypotese ved hjælp af statistik for at tage højde for denne geologiske variabilitet. De fandt, at der er en sammenhæng mellem grundvandspumpning og den dybde, som ungt grundvand når, selv efter at have overvejet et områdes geologi.

Situationen er lidt som at drikke en slushy gennem et sugerør. Du får det nederste (gammelt vand) først, og dette trækker det øverste (nyt vand) ind for at erstatte det. Bortset fra dette eksempel fyldes slushy med jævne mellemrum op fra toppen. Forskere kalder dette fænomen "pumpe-induceret downwelling."

"Vi vidste, at pumping-induceret downwelling kunne være noget, der kunne forekomme i teorien," sagde Jasechko. "Men at vise noget teoretisk kunne ske versus at vise, at noget faktisk sker, med data fra den virkelige verden er to meget forskellige ting."

Tidligere undersøgelser har afsløret pumping-induceret downwelling på lokal skala; for eksempel i Indonesien og Californiens Central Valley. Dette er dog det første, der afslører fænomenet i stor skala. Og implikationerne er ikke blot akademiske.

Grundvand transporterer opløste forbindelser, kaldet opløste stoffer. Nogle af disse er skadelige, som nitrater fra landbrugsafstrømning. Disse overfladebårne forurenende stoffer filtreres og nedbrydes gennem årene, mens vandet siver gennem jorden. Som følge heraf trækker dybere brønde ældre grundvand op med lavere koncentrationer af disse forurenende stoffer. Ved at trække ungt grundvand dybere hurtigere, flytter vi potentielt disse overfladebårne forurenende stoffer til de dybder, som kommuner og landsamfund udnytter, bemærker forfatterne.

"Bevægelsen af ​​ungt vand til dybe grundvandsmagasiner kan påvirke grundvandskvaliteten," sagde medforfatter Villafañe-Pagán. "Det er vigtigt at fortsætte med at studere grundvandsmagasiner og menneskelige virkninger på vandressourcer."

Forskning fra Sydøstasien tyder på, at selv godartede opløste stoffer kan udgøre en sundhedsfare. De kan kickstarte kemiske reaktioner, mobilisere forurenende stoffer, der ellers ville blive låst inde i forbindelser, der ikke opløses i vand. For eksempel kan opløst organisk kulstof under de rette betingelser få arsenholdige mineraler til at frigive deres arsen til grundvandet, hvilket potentielt øger koncentrationerne af dette toksin i vand fra nærliggende brønde.

Desværre er grundvandsressourcerne også truet nedefra. Mange steder med intens pumpning er saltholdighed i dybden et voksende problem, ligesom den nedadgående spredning af overfladeforurenende stoffer. I 2018 offentliggjorde Jasechko og hans kolleger en undersøgelse i Environmental Research Letters beskriver, hvordan pumpning sænkede grundvandsniveauet til dybder, hvor det begynder at blive salt. "Vinduet med godt grundvand kan være ved at blive mindre både oppefra og potentielt nedefra," sagde han.

Forfatterne mener, at deres resultater også afspejler tendenser i andre regioner. "Vores analyse af snesevis af akvifersystemer i hele USA fanger en bred vifte af variationer i naturlige forhold og menneskelige aktiviteter," sagde Jasechko. Alligevel har han til hensigt at udvide noget af denne forskning globalt. Han planlægger at undersøge tritiumprofiler i andre større akvifersystemer rundt om i verden, især dem, hvor tilbagetrækningen af ​​grundvandet er høj. + Udforsk yderligere

Konkurrence om svindende grundvand