Ασυμβίβαστοι φακοί γλυκού νερού του ποταμού Murray Floodplains (Αυστραλία):Ανακάλυψη ενός νέου φαινομένου υπόγειου νερού σε ξηρές παραποτάμιες ζώνες

Η υδρολογία των υπόγειων υδάτων είναι ένα ώριμο ερευνητικό πεδίο. Η ιδέα της ανακάλυψης ενός νέου τύπου συστήματος υπόγειων υδάτων φαίνεται απίθανη. Ωστόσο, στις πλημμυρικές πεδιάδες του συστήματος River Murray, φακοί γλυκού νερού επιπλέουν σε αλατούχα υπόγεια ύδατα υπό συνθήκες που φαίνονται, κατά την πρώτη εντύπωση, αντιφατικές και δυσμενείς για τη διατήρηση των γλυκών υπόγειων υδάτων.

Σε αυτή την έρευνα, ανακαλύπτεται ένας νέος τύπος συστήματος γλυκών υπόγειων υδάτων με τη μορφή πλευστών φακών γλυκού νερού που αντιτίθενται τόσο στη ροή των αλατούχων υπογείων υδάτων που συνδέεται με το ποτάμι όσο και στις δυνάμεις πυκνότητας των αλμυρών υπόγειων υδάτων που δρουν προς τον ποταμό γλυκού νερού. Το εύρημα σημαίνει ότι όπου συναντώνται γλυκά υπόγεια ύδατα σε αλμυρούς υδροφόρους ορίζοντες δίπλα σε ποτάμια γλυκού νερού, δεν υποδηλώνει απαραίτητα ότι έχει συμβεί αναπλήρωση υδάτων πλημμύρας, απώλεια συνθηκών ποταμών ή άλλοι μηχανισμοί έκπλυσης, όπως έχει αποδοθεί προηγουμένως στην παρατήρηση γλυκού νερού κοντά σε ποτάμι σώματα. Αντίθετα, μπορεί να συσχετιστεί με τους πρόσφατα ανακαλυφθέντες "πλευστικούς φακούς παραποτάμιου γλυκού νερού".

Φόντο

Το μεγαλύτερο μέρος των υπόγειων υδάτων του κόσμου είναι αλατούχο. Τα αλατούχα υπόγεια ύδατα μπορεί να προέρχονται από διάφορες πηγές, συμπεριλαμβανομένης της διείσδυσης θαλασσινού νερού, της διάλυσης υπόγειων ορυκτών, της συγκέντρωσης εξάτμισης των διεισδυμένων βροχοπτώσεων και των ανθρώπινων δραστηριοτήτων (π.χ. γεωργία, εξόρυξη κ.λπ.). Τα αλατούχα υπόγεια ύδατα είναι κοινά σε ρηχούς υδροφόρους ορίζοντες ημίξηρων και άνυδρων περιοχών, όπου η ισχυρή εξατμισοδιαπνοή μπορεί να συγκεντρώνει άλατα που μεταφέρονται στο υπέδαφος μέσω της διείσδυσης βροχοπτώσεων. Για παράδειγμα, στη λεκάνη του Murray (Αυστραλία), αυτό έχει οδηγήσει σε αλατότητα των υπόγειων υδάτων έως και διπλάσια από αυτή του θαλασσινού νερού.

Μεγάλο μέρος των αλμυρών υπόγειων υδάτων της λεκάνης του Murray ρέει προς τον ποταμό Murray και τις παρακείμενες πλημμυρικές πεδιάδες. Ο ποταμός Murray είναι μέρος της λεκάνης απορροής Murray-Darling, το οποίο είναι το μεγαλύτερο και πιο εκμεταλλευόμενο σύστημα ποταμών στην Αυστραλία και είναι η πηγή ζωής εκτεταμένων οικοσυστημάτων που εμφανίζονται στα ημίξηρα κλίματα των κατώτερων ροών του. Η διαχείριση της απόρριψης αλατούχων υπόγειων υδάτων στον Ποταμό είναι το επίκεντρο σημαντικών μηχανολογικών εργασιών, με τη μορφή του μεγάλης κλίμακας «σχέδιο αναχαίτισης αλατιού» (MDBA, 2010). Σκοπός του προγράμματος είναι να διατηρήσει την αλατότητα του ποταμού κάτω από τα κατώφλια που διαφορετικά θα επηρέαζαν την ποιότητα του πόσιμου νερού, τις καλλιέργειες και τη λειτουργία του οικοσυστήματος.

Οι μειώσεις στη συχνότητα και το μέγεθος των πλημμυρών οδήγησαν σε μείωση της βλάστησης στις πλημμυρικές πεδιάδες του ποταμού Murray (DEH, 2005). Οι έρευνες στους παράγοντες που επηρεάζουν τη βλάστηση των πλημμυρικών πεδιάδων και την αλάτωση των ποταμών οδήγησαν στην ανακάλυψη γλυκού νερού σε κατά τα άλλα αλμυρούς υδροφορείς πλημμυρικών πεδιάδων (π.χ. Weaver, 2009). Η εμφάνιση γλυκού νερού σε αλμυρές πλημμυρικές πεδιάδες του ποταμού Murray αποδόθηκε σε διάφορες αιτίες, συνηθέστερα τη διείσδυση πλημμυρικών υδάτων, αλλά επίσης, τα επίπεδα των υπόγειων υδάτων στις πλημμυρικές πεδιάδες ήταν χαμηλότερα από τη στάθμη του ποταμού σε ορισμένες τοποθεσίες, δημιουργώντας συνθήκες απώλειας ποταμού και εκτεταμένους φακούς γλυκού νερού. π.χ. Cartwright et al., 2010).

Το γλυκό νερό σε αλμυρούς υδροφόρους ορίζοντες δίπλα σε ποταμούς «απορροής» (δηλαδή, η στάθμη των υπόγειων υδάτων υπερβαίνει τη στάθμη του νερού του ποταμού) είχε προηγουμένως αποδοθεί σε παροδικές επιπτώσεις, συμπεριλαμβανομένης της επαναφόρτισης από πλημμύρες και της τοπικής αποθήκευσης τραπεζών (π.χ. Weaver, 2009; AWE, 2012). Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η αντίληψη ότι οι φακοί γλυκού νερού μπορεί να επιμείνουν σε υδροφόρους ορίζοντες πλημμυρικών πεδιάδων που γειτνιάζουν με ποτάμια που αυξάνονται φαίνεται να αψηφά τις δυνάμεις που δρουν στη διεπιφάνεια ποταμού-υδροφορέα. Δηλαδή, εάν ο ποταμός αποκτά αλμυρό νερό, τόσο οι υδραυλικές δυνάμεις όσο και οι δυνάμεις πυκνότητας νερού, δηλαδή λόγω της υψηλότερης στάθμης των υπόγειων υδάτων και της μεγαλύτερης πυκνότητας υπόγειων υδάτων, ενεργούν προς τον ποταμό. Ή, με άλλα λόγια, δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος για το γλυκό νερό να «μεταναστεύει ανάντη» ενάντια στη ροή των βαρύτερων υπόγειων υδάτων προς το ρέμα.

Θεωρία και εργαστηριακή επίδειξη των πλευστικών φακών γλυκού νερού στην παρόχθια περιοχή

Η εμφάνιση πλευστών φακών γλυκού νερού στις παρόχθιες ζώνες κερδοφορίας ποταμών διερευνήθηκε αρχικά χρησιμοποιώντας τις θεωρίες για την αλληλεπίδραση γλυκού νερού-αλμυρού νερού που εφαρμόζονται συνήθως σε καταστάσεις παράκτιων υδροφορέων. Το απλοποιημένο εννοιολογικό μοντέλο που εμφανίζεται στο Σχήμα 1 δοκιμάστηκε. Η κλασική προσέγγιση του Du Commun (1828) (δηλαδή, η λεγόμενη εξίσωση Ghyben-Herzberg) προσαρμόστηκε για να προσδιορίσει εάν οι δυνάμεις άνωσης θα μπορούσαν να επιτρέψουν στους φακούς του γλυκού νερού να επιπλέουν πάνω από το ρέον αλμυρό νερό, δίπλα στον ποταμό.

Με βάση τους φυσικούς νόμους διατήρησης της μάζας και της ενέργειας και τον νόμο του Darcy για τη ροή των υπόγειων υδάτων, οι Werner και Laattoe (2016) έδειξαν ότι οι φακοί του παραποτάμιου γλυκού νερού ήταν εύλογοι και αναπτύχθηκαν αναλυτικές λύσεις για να προβλέψουν την έκταση των φακών και την επιρροή τους στο ρυθμός απόρριψης αλμυρού νερού στον ποταμό. Η νέα θεωρία αποδείχθηκε επίσης ένα χρήσιμο εργαλείο διαλογής για τον αρχικό προσδιορισμό του εάν ένας φακός γλυκού νερού θα εμφανιστεί σε υδροφορείς πλημμυρικών πεδιάδων. Οι εκτιμήσεις μήκους φακού από τη νέα αναλυτική λύση ήταν κατά προσέγγιση συνεπείς με προηγούμενες γεωφυσικές έρευνες στην πλημμυρική πεδιάδα του ποταμού Murray που αποκάλυψαν σώματα γλυκού νερού κοντά σε ποτάμι.

Οι Werner et al. (2016) επικύρωσε τη θεωρία των Werner and Laattoe (2016) για τους πλευστικούς φακούς γλυκού νερού στην παραποτάμια περιοχή χρησιμοποιώντας πειραματισμό σε δεξαμενή άμμου. Μια σχηματική εικόνα της ρύθμισης δίνεται στην Εικόνα 2.

Πραγματοποιήθηκαν μια σειρά πειραμάτων δεξαμενής άμμου χρησιμοποιώντας διάφορα επίπεδα νερού δεξαμενής. Οι φακοί γλυκού νερού που δημιουργήθηκαν σε εργαστηριακές συνθήκες ταιριάστηκαν στενά με τους φακούς που προβλέφθηκαν από την αναλυτική λύση των Werner και Laattoe (2016), όπως φαίνεται στο παράδειγμα που δίνεται στο Σχήμα 3. Μικρές αποκλίσεις μεταξύ των αποτελεσμάτων του αναλυτικού διαλύματος και της δεξαμενής άμμου έδειξαν ότι τα αποτελέσματα διασποράς ήταν μη αμελητέα.

Στη συνέχεια, ο Werner (2017) ανέπτυξε μια διόρθωση στην αναλυτική λύση Werner and Laattoe (2016), έτσι ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί ένας εμπειρικός παράγοντας για να ληφθούν υπόψη τα αποτελέσματα διασποράς.

Συμπεράσματα και μελλοντικές κατευθύνσεις:

Οι πλευστοί παραποτάμιοι φακοί γλυκού νερού που ανακαλύφθηκαν από τους Werner και Laattoe (2016) και αναπαράχθηκαν υπό εργαστηριακές συνθήκες από τους Werner et al. (2016) προσθέτουν στις επί του παρόντος γνωστές μορφές συστημάτων ροής υπόγειων υδάτων. Η αληθοφάνεια αυτών των φακών σημαίνει ότι οι ερμηνείες της αλληλεπίδρασης ποταμού-υπόγειου νερού με βάση τις μετρήσεις αλατότητας σε πλημμυρικές πεδιάδες πρέπει να επανεξεταστούν. Τα γλυκά υπόγεια ύδατα σε αλμυρούς υδροφόρους ορίζοντες κοντά σε ποτάμια δεν συνεπάγονται απαραίτητα ότι έχει σημειωθεί πλήρωση πλημμυρικών υδάτων ή ότι ο ποταμός χάνει.

Οι μελλοντικές εργασίες θα πρέπει να επικεντρωθούν στον χαρακτηρισμό αυτών των συστημάτων υπό φυσικές συνθήκες. Απαιτείται επίσης περαιτέρω έρευνα για τον προσδιορισμό των μηχανισμών σχηματισμού και της ευθραυστότητας αυτών των φακών, επειδή μπορεί να υποστηρίξουν την παρόχθια βλάστηση μέσω της παροχής γλυκού νερού σε κατά τα άλλα πολύ αλμυρές συνθήκες.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο Συντελεστής διόρθωσης για να ληφθεί υπόψη η διασπορά σε μοντέλα ευκρινούς διεπαφής επίγειων φακών γλυκού νερού και ενεργής διείσδυσης θαλασσινού νερού, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advances in Water Resources καθώς και οι Werner and Laattoe (2016) και Werner et al. (2016), που δημοσιεύτηκε στο Water Resources Research. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Adrian Werner από το Πανεπιστήμιο Flinders.

Αναφορές:

1. Cartwright, I., Weaver, T.R., Simmons, C.T., Fifield, L.K., Lawrence, C.R., Chisari, R., Varley, S., 2010. Φυσική υδρογεωλογία και περιβαλλοντικά ισότοπα για περιορισμό της ηλικίας, της προέλευσης και της σταθερότητας ενός φακού χαμηλής αλατότητας υπόγειων υδάτων που σχηματίζεται από περιοδική αναπλήρωση ποταμών:Murray Basin, Αυστραλία, Journal of Hydrology 380:203–221.
2. DEH, 2005. Dieback in native vegetation in the South Australian Murray-Darling Basin:A guide to αιτίες και συμπτώματα, Department for Environment and Heritage, Government of South Australia, ISBN:1921018371.
3. Du Commun, J., 1828. Για την αιτία των πηγών γλυκού νερού, των σιντριβανιών κ.λπ., The American Journal of Science and Arts, Vol. XIV, Art. XXV, New Haven.
4. MDBA, 2010. Κρατώντας το αλάτι μακριά από το Murray. Murray-Darling Basin Authority, Canberra, https://www.mdba.gov.au/sites/default/files/pubs/MDBA-14165-Brochure-WEB-FA.pdf.
5. MDBA, 2012. Κινητοποίηση αλατιού και υπερβάσεις αλατότητας στην πλημμυρική πεδιάδα του ποταμού Murray στο Morgan, αρχή λεκάνης απορροής Murray-Darling, Δημοσίευση Αρ. 53/12, Καμπέρα.
6. Weaver, 2009. Βιωσιμότητα φακών γλυκού νερού κάτω από μεγάλα ποτάμια, Land and Water Australia, Έκθεση PN30169, www.lwa.gov.au/node/2998.
7. Werner, A.D., 2017. Συντελεστής διόρθωσης για να ληφθεί υπόψη η διασπορά σε μοντέλα με ευκρινή διεπαφή επίγειων φακών γλυκού νερού και ενεργής διείσδυσης θαλασσινού νερού, Προόδους στους υδάτινους πόρους 102:45-52.
8. Werner, A.D., Kawachi, A., Laattoe, T., 2016. Αληθοφάνεια φακών γλυκού νερού δίπλα σε ποτάμια:Επικύρωση με εργαστηριακό πειραματισμό, Έρευνα Υδάτινων Πόρων 52(11):8487-8499.
9. Werner, A.D., Laattoe, T., 2016. Επίγειοι φακοί γλυκού νερού σε σταθερές ρυθμίσεις ποταμού:Εμφάνιση και παράγοντες ελέγχου, Έρευνα Υδάτινων Πόρων 52(5):3654-3662.