Hoe oud is je water? Het lijkt in eerste instantie misschien een eigenaardige vraag, maar er zijn echte implicaties voor hoe lang een druppel water ondergronds heeft doorgebracht. Onderzoek wijst uit dat de waterkringloop op sommige plaatsen versnelt als gevolg van menselijk ondernemerschap.

Wetenschappers van UC Santa Barbara ontdekten dat relatief jong grondwater de neiging heeft om diepere diepten te bereiken in zwaar opgepompte watervoerende lagen, wat mogelijk verontreinigende stoffen aan het oppervlak met zich meebrengt. De studie, geleid door recent postdoctoraal onderzoeker Melissa Thaw, verschijnt in Nature Communications .

"We denken meestal dat diep grondwater veilig is voor de verontreinigingen die dichter bij het aardoppervlak worden gevonden", zei Thaw. "Intensief grondwaterpompen trekt echter recentelijk aangevuld grondwater naar diepere diepten, waardoor mogelijk ook verontreinigingen naar beneden worden getrokken."

Grondwater heeft tijd nodig om zich door de onderaardse wereld te verplaatsen, het stroomt tussen bodemdeeltjes en door spleten in de rots. De regendruppels van vandaag zijn misschien niet het bronwater van morgen; in feite zijn ze misschien niet eens het bronwater van het volgende decennium. "De helft of meer van al het grondwater dat op de planeet is opgeslagen, is regen en sneeuw die meer dan 12.000 jaar geleden is gevallen", zegt Scott Jasechko, universitair hoofddocent aan de Bren School of Environmental Science &Management van UC Santa Barbara. Intuïtief, hoe dieper je kijkt, hoe ouder het water over het algemeen is.

Thaw en collega-postdoc Merhawi GebreEgziabher GebreMichael werkten samen met senior auteur Jasechko en Jobel Villafañe-Pagán, een student aan de Universiteit van Puerto Rico, Mayagüez, die zich bij het team voegde via het Geosciences Education &Mentorship Support-programma. Samen probeerden de auteurs te bepalen hoe pompen de beweging van het grondwater beïnvloedt. Daartoe maakten ze gebruik van een dataset van concentraties van een zeldzame vorm van waterstof, bekend als tritium, in 15.000 grondwaterputten in de aangrenzende Verenigde Staten.

Sinds de jaren zestig gebruiken wetenschappers tritium om grondwater op te sporen. Deze radioactieve variant, of isotoop, van waterstof komt van nature voor op aarde, meestal in lage concentraties in de stratosfeer, waar het wordt geproduceerd door botsingen met hoogenergetische deeltjes. Tritium kan de meer gebruikelijke versies van waterstof in watermoleculen vervangen (H₂ O), waardoor de verbinding licht radioactief wordt.

De concentratie van tritium nam in de 20e eeuw drastisch toe als gevolg van kernproeven vanaf het midden van de jaren 1950 tot het Partial Nuclear Test Ban Treaty in 1963. Er werd dus een puls van radioactieve waterstof in de wereld geïntroduceerd in het midden van de 1900s. Veel ervan regende, en een deel daarvan sijpelde in de grond om grondwater te worden. Wetenschappers kunnen tritiumconcentraties gebruiken om recent grondwater te identificeren, dat zij definiëren als water dat na 1953 in de aarde is gesijpeld.

De auteurs groepeerden nabijgelegen putten samen in 74 watervoerende lagen. Dit stelde hen in staat om de tritiumniveaus van grondwater op verschillende diepten in elk systeem te analyseren. Ze gebruikten deze metingen om het aandeel van elk monster te berekenen dat afkomstig was van moderne neerslag. Hun grenswaarde voor "oud" grondwater was elk monster dat voor minder dan 25% uit modern grondwater bestond.

De wetenschappers keken vervolgens hoe deze metriek varieerde over verschillende diepten binnen elk aquifersysteem. Het is niet verwonderlijk dat het percentage modern grondwater de neiging had het hoogst te zijn aan de oppervlakte en af ​​te nemen op diepte. Maar waar deze overgang plaatsvond, varieerde op verschillende gebieden.

Het team had nu een idee van hoe diep modern grondwater was door de systemen die ze bestudeerden, maar ze hadden nog steeds iets nodig om het mee te vergelijken. Ondergrondse geologie is rommelig en beïnvloedt hoe snel het grondwater kan reizen. Water heeft bijvoorbeeld meer tijd nodig om in minder doorlatende lagen, zoals klei, te zinken.

Dus gebruikten de auteurs lokale geologie om de grondwaterbeweging te karakteriseren. "Voor elk van de verschillende studiegebieden hebben we geschat hoe diep je moet gaan totdat je een dikke laag met een lage doorlaatbaarheid bereikt," zei Jasechko. In sommige gebieden kan het net een meter onder het oppervlak zijn, terwijl het in andere honderden meters kan zijn.

"De analyse van isotopen in de omgeving, in combinatie met de analyse van de diepte van de unit, stelde ons in staat om de impact van overmatig pompen op de neerwaartse stroming te begrijpen", zegt co-auteur GebreEgziabher GebreMichael.

Ten slotte konden de auteurs hun hypothese testen met behulp van statistieken om rekening te houden met deze geologische variabiliteit. Ze ontdekten dat er een verband bestaat tussen het oppompen van grondwater en de diepte die jong grondwater bereikt, zelfs als we rekening houden met de geologie van een gebied.

De situatie is een beetje zoals het drinken van een slushy door een rietje. Je krijgt eerst het onderste spul (oud water) en dit trekt het bovenste spul (nieuw water) aan om het te vervangen. Behalve in dit voorbeeld wordt de slushy periodiek van bovenaf bijgevuld. Wetenschappers noemen dit fenomeen 'door pompen veroorzaakte downwelling'.

"We wisten dat door pompen veroorzaakte downwelling iets zou kunnen zijn dat in theorie zou kunnen voorkomen," zei Jasechko. "Maar laten zien dat iets theoretisch zou kunnen gebeuren versus laten zien dat er iets werkelijk gebeurt, met gegevens uit de echte wereld, zijn twee heel verschillende dingen."

Eerdere studies hebben op lokale schaal door pompen veroorzaakte downwelling blootgelegd; bijvoorbeeld in Indonesië en Central Valley in Californië. Dit is echter de eerste die het fenomeen op grote schaal onthult. En de implicaties zijn niet alleen academisch.

Grondwater transporteert opgeloste stoffen, opgeloste stoffen genoemd. Sommige hiervan zijn schadelijk, zoals nitraten uit landbouwafval. Deze op het oppervlak aanwezige verontreinigingen worden in de loop der jaren gefilterd en afgebroken terwijl water door de aarde sijpelt. Daardoor trekken diepere putten ouder grondwater op met lagere concentraties van deze verontreinigingen. Door jong grondwater sneller dieper te trekken, verplaatsen we deze verontreinigende stoffen naar de diepten die door gemeenten en plattelandsgemeenschappen worden afgetapt, merken de auteurs op.

"De verplaatsing van jong water naar diepe watervoerende lagen kan de kwaliteit van het grondwater beïnvloeden", zegt co-auteur Villafañe-Pagán. "Het is essentieel om grondwaterlagen en menselijke effecten op watervoorraden te blijven bestuderen."

Onderzoek uit Zuidoost-Azië suggereert dat zelfs goedaardige opgeloste stoffen een gevaar voor de gezondheid kunnen vormen. Ze kunnen chemische reacties op gang brengen en verontreinigingen mobiliseren die anders zouden worden opgesloten in verbindingen die niet in water oplossen. Onder de juiste omstandigheden kan opgeloste organische koolstof er bijvoorbeeld voor zorgen dat arseenhoudende mineralen hun arseen in het grondwater afgeven, waardoor de concentraties van dit toxine in water uit nabijgelegen bronnen mogelijk toenemen.

Helaas worden de grondwatervoorraden ook van onderaf bedreigd. Op veel plaatsen waar intensief wordt gepompt, is het zoutgehalte op diepte een groeiend probleem, evenals de neerwaartse verspreiding van oppervlakteverontreinigende stoffen. In 2018 publiceerden Jasechko en zijn collega's een onderzoek in Environmental Research Letters waarin wordt beschreven hoe het pompen het grondwaterpeil liet dalen tot diepten waar het zout begon te worden. "Het venster van goed grondwater kan zowel van bovenaf als mogelijk van onderaf afnemen", zei hij.

De auteurs zijn van mening dat hun resultaten ook trends in andere regio's weerspiegelen. "Onze analyse van tientallen watervoerende lagen in de VS legt een breed scala aan variabiliteit vast in natuurlijke omstandigheden en menselijke activiteiten", zei Jasechko. Toch is hij van plan een deel van dit onderzoek wereldwijd uit te breiden. Hij is van plan om tritiumprofielen in andere grote watervoerende lagen over de hele wereld te onderzoeken, vooral die waar de grondwateronttrekkingspercentages hoog zijn. + Verder verkennen

Concurrentie om krimpend grondwater