På en plats som Delaware, där det regnar ofta, vatten är en förnybar resurs. Naturliga processer kommer att fylla på vattnet som används eller konsumeras. I ett område där det inte är lika mycket regn, som Arabiska halvön, dock, det är avgörande att få grepp om hur mycket bra vatten som finns tillgängligt under den torra öknen i så kallade fossila vattenlevande vatten - vattenlagringar som lagrar äldre vatten.

University of Delaware Neil Sturchio, professor vid Institutionen för geovetenskap vid UD's College of Earth, Hav och miljö, med kollegor från flera andra institutioner, skrev ett papper i Journal of Hydrology som bedömde åldern, ursprung och hållbarhet för fossila akviferer i Mega Aquifer System (MAS) på Arabiska halvön.

MAS ligger till grund för de flesta av de stora öknarna på Arabiska halvön och är ett av de största akvifersystemen i den torra världen, ockuperar territorium i Saudiarabien, Irak, Jordanien, Oman, Jemen och Förenade Arabemiraten.

Sturchio genomförde geokemiska och isotopiska studier som hjälpte till att bestämma vattnets kvalitet och ålder, som visade hur åldern förhåller sig till hydrologin och akviferens historia.

Isotopmätningar är kraftfulla verktyg för att spåra fuktkällan i en akvifer och uppehållstiden och flödesbanan för grundvattnet, speciellt när det används tillsammans med numeriska flödesmodeller som innehåller höjdmätningar av vattennivåer och vattenlevande hydrauliska egenskaper.

Väte- och syreisotopförhållanden för vattenmolekylen användes för att spåra dess fuktkälla, och de radioaktiva isotoperna kol-14 och klor-36 användes för att utvärdera vattnets uppehållstid (ålder) under ytan.

Att veta åldern på vattnet i akviferer hjälper forskare att förstå hur snabbt eller långsamt de laddas, viktig information för en hållbar hantering av vattenanvändning.

Sturchio sa att denna studie var viktig eftersom detta område av världen inte har haft många moderna, toppmoderna undersökningar som genomförts för att visa hur man effektivt hanterar sina resurser.

"Deras befolkning växer så de upplever alla vanliga problem som följer med att ha många människor och vatten blir mer och mer ett problem, sa Sturchio.

Fossilt grundvatten

Medan mycket av landskapet på Arabiska halvön får mindre än 25 millimeter regn per år, under tidigare våtare klimatperioder fick dessa områden större mängder nederbörd, som hjälpte till att ladda sina vattendrag.

Detta grundvatten anses nu vara fossilt, men i områden i MAS som mottar större mängder nederbörd - främst de bergiga områdena i den södra delen av MAS som ligger till grund för Rub Al Khali (RAK) öknen - blandas det äldre vattnet med det nya eftersom akviferer får modern laddning från nederbörd.

Till skillnad från den södra delen av MAS, som på nuvarande vattenutvinning kan användas för utveckling av hållbart jordbruk i Saudiarabien, de centrala och norra delarna av MAS utnyttjas alltför mycket när det gäller utvinning av grundvatten.

Eftersom de visar tecken på allvarlig minskning av vattennivån, Det är viktigt att bestämma vattnets ålder för att visa hur snabbt vattenlevande vatten fyller sig. Detta kommer att hjälpa till att identifiera platser och utveckla scenarier där resurserna kan hanteras på ett hållbart sätt.

Känner vatten på distans

Förutom de vanliga kemiska och isotopiska mätningarna som hjälper till att datera vattnet och berätta om vattenkvaliteten, forskarna använde observationer från satellituppdraget Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) som lanserades 2002 av U.S.National Aeronautics and Space Administration (NASA) och German Aerospace Center för att hjälpa till att mäta vattennivåerna i akvifererna.

GRACE -satelliterna kartlägger varje månad variationerna i jordens globala tyngdkraftsfält. Genom att använda data från satelliterna, forskare kunde få vattenbalansberäkningar, upptäcka variationer i vattenlagring över bassänger och urskilja hastigheter för laddning och urladdning av vattendrag.

"År efter år, du kan jämföra gravitationens mätningar över ett visst område och se hur de förändras. Allt annat lika, det mesta av tyngdkraftsförändringen beror på tillsats eller subtraktion av vatten eftersom inget annat verkligen förändras så mycket. Stenarna bara sitter där, "sa Sturchio." Dessa gravitationssatelliter är känsliga för förändringen i grundvattnets volym. Om du pumpar ut det för snabbt, du kommer att se att mängden grundvatten gradvis minskar. "

Förutom GRACE, forskarna använde också data från satellitbaserade nederbördsmätningar och genomförde fältundersökningar över RAK-vattendragssystemet.

Resande vatten

Denna kombination av fjärranalys, geokemiska undersökningar och fältundersökningar användes också för att avgöra var vattnet har sitt ursprung, liksom vattnets kvalitet.

De tittade på den väg som vattnet tar för att komma till vissa vattendrag och fann att det mesta av vattnet följer ett dräneringssystem från väst till öst, samla nederbörd över Röda havets kullar och strömmar över Arabiska halvön.

"Vi kunde se att det mesta av vattnet under öknen kommer från bergen i västra delen av Saudiarabien och den sydvästra delen av Arabiska halvön, sa Sturchio.

Grundvatten som ligger längre ut i östra delen av öknen är äldre och isotopiskt annorlunda än grundvattnet närmare Röda havets kullar, vilket indikerar att den deponerades från kullarna under olika klimatförhållanden för många år sedan under Pleistocene -epoken, en tidsperiod som började för cirka 2,6 miljoner år sedan.

Det är också saltare och olämpligt för dricks- och jordbruksändamål. Grundvattnet har sitt ursprung i bergen genom att ladda ner nederbörd, passerar sedan genom saltbergsformationer som gör att vattnet i akvifererna blir salt som ett resultat.

"Det är saltare än havsvatten, och det kan inte användas till någonting i så fall, "sa Sturchio, som tillade att åldern på vattnet i den östra delen av Arabiska halvön är ungefär en miljon år gammal och mer.

Hållbarhetsrekommendationer

Efter att ha bestämt ålder och ursprung för de fossila akvifererna, forskarna kunde ge rekommendationer om hållbarheten av grundvattenresurser.

I de centrala och norra delarna av MAS, hållbar vattenutvinning kan uppnås med nuvarande grödor och bevattningsarrangemang genom att minska den årliga utvinningen och hålla den mer i linje med den hastighet som den delvis fylls på med nederbörd. Ett annat alternativ skulle vara att byta ut de vattenintensiva grödorna, som vete och alfalfa, som för närvarande odlas i området med vattenbesparande grödor som potatis eller sockerbetor.

Vid de nuvarande extraktionsnivåerna, de södra delarna av MAS kan användas för utveckling av hållbart jordbruk i Saudiarabien och tillhandahålla en replikerbar och kostnadseffektiv modell för området.