In een plaats als Delaware, waar het vaak regent, water is een hernieuwbare hulpbron. Natuurlijke processen vullen het water aan dat wordt gebruikt of geconsumeerd. In een gebied waar de regen niet zo overvloedig is, zoals het Arabisch Schiereiland, echter, het is van cruciaal belang om grip te krijgen op hoeveel goed water beschikbaar is onder de dorre woestijn in wat bekend staat als fossiele watervoerende lagen - watervoerende lagen die ouder water opslaan.

Neil Sturchio van de Universiteit van Delaware, professor in de afdeling Aardwetenschappen in UD's College of Earth, Oceaan en milieu, met collega's van verschillende andere instellingen, co-schreef een paper in de Tijdschrift voor Hydrologie die de leeftijd beoordeelde, oorsprong en duurzaamheid van fossiele watervoerende lagen in het Mega Aquifer System (MAS) op het Arabische schiereiland.

Het MAS ligt ten grondslag aan de meeste uitgestrekte woestijnen van het Arabische schiereiland en is een van de grootste watervoerende lagen in de droge wereld, bezettend gebied in Saoedi-Arabië, Irak, Jordanië, Oman, Jemen en de Verenigde Arabische Emiraten.

Sturchio voerde geochemische en isotopenstudies uit die hielpen bij het bepalen van de kwaliteit en ouderdom van het water, waaruit bleek hoe de leeftijd zich verhoudt tot de hydrologie en de geschiedenis van de watervoerende laag.

Isotopische metingen zijn krachtige instrumenten voor het opsporen van de vochtbron van een aquifer en de verblijftijd en het stroompad van het grondwater, vooral wanneer gebruikt in combinatie met numerieke stromingsmodellen die metingen van grondwaterstanden en hydraulische eigenschappen van watervoerende lagen bevatten.

Waterstof- en zuurstofisotoopverhoudingen van het watermolecuul werden gebruikt om de vochtbron te traceren, en de radioactieve isotopen koolstof-14 en chloor-36 werden gebruikt om de ondergrondse verblijftijd (leeftijd) van het water te evalueren.

Door de leeftijd van het water in de watervoerende lagen te kennen, kunnen wetenschappers begrijpen hoe snel of langzaam ze worden opgeladen. essentiële informatie voor een duurzaam beheer van het watergebruik.

Sturchio zei dat deze studie belangrijk was omdat dit deel van de wereld niet veel moderne, state-of-the-art onderzoeken die zijn uitgevoerd om te laten zien hoe ze hun middelen effectief kunnen beheren.

"Hun bevolking groeit, dus ze ervaren alle gebruikelijke problemen die gepaard gaan met het hebben van veel mensen en water wordt steeds meer een probleem, ' zei Sturchio.

Fossiel grondwater

Terwijl een groot deel van het landschap van het Arabische schiereiland minder dan 25 millimeter regen per jaar ontvangt, in eerdere nattere klimatologische perioden kregen deze gebieden meer neerslag, die hielpen bij het opladen van hun watervoerende lagen.

Dit grondwater wordt nu als fossiel beschouwd, maar in gebieden van het MAS die grotere hoeveelheden neerslag ontvangen - voornamelijk de bergachtige gebieden in het zuidelijke deel van het MAS dat ten grondslag ligt aan de Rub Al Khali (RAK) -woestijn - vermengt het oudere water zich met het nieuwe omdat watervoerende lagen moderne aanvulling krijgen van neerslag.

In tegenstelling tot het zuidelijke deel van het MAS, die bij de huidige waterwinning kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van duurzame landbouw in Saoedi-Arabië, het midden en noordelijk deel van het MAS worden te veel benut als het gaat om grondwaterwinning.

Omdat ze tekenen vertonen van een ernstige daling van het waterpeil, het is belangrijk om de leeftijd van het water te bepalen om te laten zien hoe snel de aquifers zichzelf aanvullen. Dit helpt bij het identificeren van locaties en het ontwikkelen van scenario's waarmee de hulpbronnen op een duurzame manier kunnen worden beheerd.

Water op afstand detecteren

Naast de gebruikelijke chemische en isotopenmetingen die helpen bij het dateren van het water en vertellen over de waterkwaliteit, de onderzoekers gebruikten observaties van de Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellietmissie die in 2002 werd gelanceerd door de Amerikaanse National Aeronautics and Space Administration (NASA) en het Duitse Aerospace Center om de waterstanden in de watervoerende lagen te meten.

De GRACE-satellieten brengen maandelijks de variaties in het wereldwijde zwaartekrachtveld van de aarde in kaart. Door gebruik te maken van de gegevens van de satellieten, onderzoekers konden waterbalansberekeningen krijgen, de variabiliteit van de waterberging over de bassins te detecteren en de herlaad- en afvoersnelheden van aquifers te onderscheiden.

"Jaar na jaar, je kunt de zwaartekrachtmetingen over een bepaald gebied vergelijken en zien hoe ze veranderen. Alles gelijk, het grootste deel van de verandering in de zwaartekracht komt door het toevoegen of aftrekken van water, omdat niets anders echt zoveel verandert. De rotsen zitten daar gewoon, " zei Sturchio. "Deze zwaartekrachtsatellieten zijn gevoelig voor de verandering in het volume van het grondwater. Als je het te snel wegpompt, je zult zien dat de hoeveelheid grondwater geleidelijk afneemt."

Naast de GRACE, de onderzoekers gebruikten ook gegevens van op satellieten gebaseerde neerslagmetingen en voerden veldonderzoeken uit over het RAK-aquifersysteem.

Reizend water

Deze combinatie van teledetectie, geochemisch en veldonderzoek werd ook gebruikt om te bepalen waar het water vandaan kwam, evenals de kwaliteit van het water.

Ze keken naar het pad dat het water aflegt om bij bepaalde watervoerende lagen te komen en ontdekten dat het meeste water een afvoersysteem van west naar oost volgt, het verzamelen van neerslag over de heuvels van de Rode Zee en stromen over het Arabische schiereiland.

"We konden zien dat het meeste water onder de woestijn afkomstig is uit de bergen in het westelijke deel van Saoedi-Arabië en het zuidwestelijke deel van het Arabische schiereiland, ' zei Sturchio.

Grondwater dat zich verder in het oostelijke deel van de woestijn bevindt, is ouder en isotopisch anders dan het grondwater dichter bij de Rode Zeeheuvels, wat aangeeft dat het vele jaren geleden tijdens het Pleistoceen onder verschillende klimatologische omstandigheden uit de heuvels werd afgezet, een tijdsperiode die ongeveer 2,6 miljoen jaar geleden begon.

Het is ook zouter en ongeschikt voor drink- en landbouwdoeleinden. Het grondwater ontspringt in de bergen door het aanvullen van neerslag, gaat vervolgens door zoute rotsformaties waardoor het water in de watervoerende lagen zout wordt.

"Het is zouter dan zeewater, en in dat geval kan het nergens voor worden gebruikt, " zei Sturchio, die eraan toevoegde dat de ouderdom van het water in het oostelijke deel van het Arabische schiereiland ongeveer een miljoen jaar en meer is.

Duurzaamheidsaanbevelingen

Na het bepalen van de leeftijd en oorsprong van de fossiele watervoerende lagen, de onderzoekers konden aanbevelingen doen over de duurzaamheid van grondwatervoorraden.

In het midden en noorden van het MAS, duurzame waterwinning kan met de huidige gewas- en irrigatieregeling worden bereikt door de jaarlijkse winning te verminderen en meer in lijn te houden met het tempo waarin deze gedeeltelijk wordt aangevuld door neerslag. Een andere optie zou zijn om de waterintensieve gewassen te vervangen, zoals tarwe en luzerne, die momenteel in het gebied worden verbouwd met waterbesparende gewassen zoals aardappelen of suikerbieten.

Bij de huidige winningsniveaus de zuidelijke delen van het MAS kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van duurzame landbouw in Saoedi-Arabië en bieden een reproduceerbaar en kosteneffectief model voor het gebied.