Hur gammalt är ditt vatten? Det kan tyckas vara en märklig fråga till en början, men det finns verkliga konsekvenser för hur länge en droppe vatten har tillbringat under jorden. Forskning tyder på att vattnets kretslopp accelererar på vissa ställen som ett resultat av mänskligt företagande.

Forskare vid UC Santa Barbara upptäckte att relativt ungt grundvatten tenderar att nå djupare djup i kraftigt pumpade akvifersystem, vilket potentiellt tar med sig ytburna föroreningar. Studien, ledd av nyligen postdoktor Melissa Thaw, visas i Nature Communications .

"Vi tror vanligtvis att djupt grundvatten är säkert från föroreningar som finns närmare jordens yta," sa Thaw. "Men intensiv grundvattenpumpning drar nyligen påfyllt grundvatten till djupare djup, vilket potentiellt drar ner föroreningar också."

Grundvatten tar tid att röra sig i den underjordiska världen, strömmar mellan jordpartiklar och genom springor i berget. Dagens regndroppar kanske inte är morgondagens brunnsvatten; i själva verket kanske de inte ens är nästa årtiondes brunnsvatten. "Hälften eller mer av allt grundvatten som lagras på planeten är regn och snö som föll för mer än 12 000 år sedan", säger Scott Jasechko, docent vid UC Santa Barbaras Bren School of Environmental Science &Management. Intuitivt, ju djupare du tittar, desto äldre är vattnet i allmänhet.

Thaw och andra postdoc Merhawi GebreEgziabher GebreMichael arbetade med seniorförfattaren Jasechko och Jobel Villafañe-Pagán, en student vid University of Puerto Rico, Mayagüez, som gick med i teamet via Geosciences Education &Mentorship Support-programmet. Tillsammans försökte författarna fastställa hur pumpning påverkar grundvattnets rörelse. För detta ändamål utnyttjade de en datauppsättning av koncentrationer av en sällsynt form av väte, känd som tritium, i 15 000 grundvattenbrunnar över det angränsande USA.

Forskare har använt tritium för att spåra grundvatten sedan 1960-talet. Denna radioaktiva variant, eller isotop, av väte förekommer naturligt på jorden, mestadels i låga koncentrationer i stratosfären, där den produceras av högenergipartikelkollisioner. Tritium kan ersätta de vanligare versionerna av väte i vattenmolekyler (H₂ O), vilket gör föreningen lätt radioaktiv.

Tritiums koncentration ökade drastiskt under 1900-talet på grund av kärnvapenprovningar från mitten av 1950-talet fram till fördraget om partiellt kärnprovsförbud 1963. Så det kom en puls av radioaktivt väte som introducerades i världen i mitten av 1900-talet. Mycket av det regnade ut, med en del av det som sipprade ner i jorden för att bli grundvatten. Forskare kan använda tritiumkoncentrationer för att identifiera nya grundvatten, som de definierar som vatten som sipprade in i jorden efter 1953.

Författarna grupperade närliggande brunnar i 74 akvifersystem. Detta gjorde det möjligt för dem att analysera tritiumnivåerna i grundvatten på olika djup i varje system. De använde dessa mätningar för att beräkna andelen av varje prov som kom från modern nederbörd. Deras gräns för "gammalt" grundvatten var vilket prov som helst som bestod av mindre än 25 % modernt grundvatten.

Forskarna tittade sedan på hur detta mått varierade över olika djup inom varje akvifersystem. Föga överraskande tenderade andelen modernt grundvatten att vara högst nära ytan och minska på djupet. Men var denna övergång skedde varierade mellan olika områden.

Teamet hade nu en uppfattning om hur djupt modernt grundvatten var genom systemen de studerade, men de behövde fortfarande något att jämföra det med. Underjordsgeologin är rörig och den påverkar hur snabbt grundvattnet kan färdas. Till exempel tar det längre tid för vatten att sjunka ner i mindre permeabla lager, som lera.

Så författarna använde lokal geologi för att karakterisera grundvattenrörelser. "För vart och ett av de olika studieområdena uppskattade vi hur djupt du måste gå tills du träffar ett tjockt lågpermeabilitetsskikt," sa Jasechko. I vissa områden kan det vara bara fot under ytan, medan det i andra kan vara hundratals fot.

"Analysen av miljöisotoper, tillsammans med analys av begränsande enhetsdjup, gjorde det möjligt för oss att förstå effekten av överdriven pumpning på nedåtgående flöde", säger medförfattaren GebreEgziabher GebreMichael.

Slutligen kunde författarna testa sin hypotes med hjälp av statistik för att redogöra för denna geologiska variation. De fann att det finns ett samband mellan pumpning av grundvatten och det djup som ungt grundvatten når, även efter att ha övervägt ett områdes geologi.

Situationen är lite som att dricka en slushy genom ett sugrör. Du får bottenprylarna (gammalt vatten) först och detta drar in de översta prylarna (nytt vatten) för att ersätta det. Förutom i det här exemplet fylls slushy med jämna mellanrum på från toppen. Forskare kallar detta fenomen "pumpningsinducerad downwelling."

"Vi visste att pumpinducerad downwelling kan vara något som skulle kunna inträffa i teorin," sa Jasechko. "Men att visa något teoretiskt kan hända kontra att visa att något faktiskt kan hända, med verkliga data, är två väldigt olika saker."

Tidigare studier har avslöjat pumpinducerad downwelling på lokal skala; till exempel i Indonesien och Kaliforniens Central Valley. Detta är dock det första som avslöjar fenomenet i stor skala. Och konsekvenserna är inte bara akademiska.

Grundvatten transporterar lösta föreningar, så kallade lösta ämnen. Vissa av dessa är skadliga, som nitrater från avrinning från jordbruket. Dessa ytburna föroreningar filtreras och bryts ner under åren när vatten sipprar genom jorden. Som ett resultat drar djupare brunnar upp äldre grundvatten med lägre koncentrationer av dessa föroreningar. Genom att dra ungt grundvatten djupare snabbare, flyttar vi potentiellt dessa ytburna föroreningar till de djup som kommuner och landsbygdssamhällen utnyttjar, konstaterar författarna.

"Förflyttningen av ungt vatten till djupa akviferer kan påverka grundvattenkvaliteten", säger medförfattaren Villafañe-Pagán. "Det är viktigt att fortsätta studera grundvattenakviferer och mänskliga effekter på vattenresurser."

Forskning från Sydostasien tyder på att även godartade lösta ämnen kan utgöra en hälsorisk. De kan kickstarta kemiska reaktioner, mobilisera föroreningar som annars skulle låsas in i föreningar som inte löser sig i vatten. Till exempel, under rätt förhållanden, kan löst organiskt kol orsaka att arsenikhaltiga mineraler släpper ut sin arsenik i grundvattnet, vilket potentiellt ökar koncentrationerna av detta toxin i vatten som hämtas från närliggande brunnar.

Tyvärr är grundvattenresurserna hotade även underifrån. På många platser med intensiv pumpning är salthalt på djupet en växande fråga, liksom spridningen nedåt av ytföroreningar. År 2018 publicerade Jasechko och hans kollegor en studie i Environmental Research Letters beskriver hur pumpning sänkte grundvattennivåerna till djup där de börjar bli salta. "Fönstret för bra grundvatten kan minska både ovanifrån och potentiellt underifrån", sa han.

Författarna tror att deras resultat återspeglar trender i andra regioner också. "Vår analys av dussintals akvifersystem över hela USA fångar ett brett spektrum av variationer i naturliga förhållanden och mänskliga aktiviteter," sa Jasechko. Ändå avser han att utöka en del av denna forskning globalt. Han planerar att undersöka tritiumprofiler i andra stora akvifersystem runt om i världen, särskilt de där uttagshastigheten för grundvatten är hög. + Utforska vidare

Konkurrens om krympande grundvatten