Grondwater simulatie onthult verborgen paden en langeafstandsstromen op continentaal niveau

Onderzoek naar de verbindingen tussen grondwater en rivieren in de Verenigde Staten

Onderzoekers van de Princeton University en de Universiteit van Arizona hebben een simulatie ontwikkeld die ondergronds water in kaart brengt op continentaal niveau. Dit resultaat is het resultaat van drie jaar onderzoek naar grondwater van kust tot kust. De bevindingen tonen het onzichtbare pad dat elke regendruppel of gesmolten sneeuwvlok volgt voordat deze weer opduikt in verse waterstromen. Dit volgt het water van het oppervlak van het land naar diepere lagen en weer omhoog, soms tot wel 160 kilometer verderop, na een verblijf van 10 tot 100.000 jaar ondergronds.

De simulatie, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Water, laat zien dat regenval en sneeuwsmelt veel dieper de grond in stromen dan voorheen begrepen werd. Meer dan de helft van het water in stromen en rivieren komt voort uit aquifers die ooit als zo diep werden beschouwd dat ze afgesloten waren van stromingen. Deze onverwachte bevindingen hebben grote implicaties voor het volgen van vervuiling en het voorspellen van de effecten van klimaatverandering op grondwater, dat de helft van al het drinkwater in de Verenigde Staten levert.

De simulatie beslaat de continentaal Verenigde Staten en delen van Canada en Mexico, en volgt de stroom van grondwater. Het meet de enorme afstanden en diepten die het aflegt voordat het in stromen terechtkomt over meer dan 3 miljoen vierkante mijl (7,85 miljoen vierkante kilometer). De onderzoekers hebben dit bereikt met een hydrologische simulatie van hoge resolutie die hen in staat stelde het water dat door ondergrondse systemen stroomt te volgen.

Het onderzoeksteam bestond uit Reed Maxwell, de William en Edna Macaleer Professor of Engineering and Applied Science aan Princeton en professor aan het High Meadows Environmental Institute van Princeton; Chen Yang, een voormalig onderzoeksmedewerker bij Princeton (nu aan de Sun Yat-sen Universiteit in China); en professor Laura Condon van de Universiteit van Arizona.

Ze ontdekten dat grondwater honderden kilometers ondergronds kan reizen voordat het weer als stroomwater opduikt. In het Midwesten stroomt grondwater over lange afstanden, vooral waar de bergen de vlaktes ontmoeten. Eén grondwaterstroom langs de voet van de Rocky Mountains besloeg 238 kilometer. De studie onthulde ook de enorme netwerken van verbindingen in het grondwater: Bijna 90% van de Amerikaanse stroomgebieden ontvangt water van een buur en geeft het door aan een ander.

De bevindingen hebben verbazingwekkende implicaties. Hoewel het buiten zicht is, vormt grondwater 99% van het ongevrozen zoet water op aarde en levert het drinkwater voor 145 miljoen Amerikanen. Het is ook essentieel voor onze voedselvoorziening, omdat het 60% van de landbouw wereldwijd irrigatie biedt. Maar grondwater wordt alarmierend snel uitgeput, en het is al lange tijd moeilijk te modelleren. De nieuwe retrospectieve analyses en voorspellende simulaties van deze studie bieden kansen om deze vitale hulpbron te volgen en de verstrekkende gevolgen van lekken van bijvoorbeeld olie- en gasboorplatforms te begrijpen.

“De onderlinge verbindingen tussen de stroomgebieden zijn niet alleen belangrijk voor de stroomafvoer,” zei Maxwell. “Dit vertelt ons ook hoe lang verontreiniging in het grondwater zal aanhouden. Wijdverspreide verontreinigende stoffen zoals nitraat en PFAS kunnen deze lange reizen naar de stroom maken, waardoor ze moeilijker te beheersen en zelfs langduriger worden.”

Een tweede belangrijke nieuwe ontdekking is dat grondwater uit zeer diepe aquifers aanzienlijk bijdraagt aan de stroomafvoer. Het team van Maxwell ontdekte dat diep grondwater uit aquifers die 10 tot 100 meter onder de oppervlakte liggen, meer dan de helft van de basisstroom in 56% van de subbassins bijdroeg. De grootste diepten kwamen voor in gebieden met de steilste topografische gradiënten, zoals de Rocky en Appalachian bergen.