The Fate Of Urban Springs:Pumping-Induced Seawater Intrusion In An Underwater Cave

Οι ανθρώπινοι πληθυσμοί συγκεντρώνονται στις ακτές, όπου συχνά εξαρτώνται από τους υδροφόρους ορίζοντες ως πρωταρχικές πηγές νερού για πόσιμο, τη γεωργία και τη βιομηχανία. Σε παράκτιους υδροφορείς, τα χρησιμοποιήσιμα γλυκά υπόγεια ύδατα επιπλέουν πάνω από μια σφήνα πυκνότερου αλμυρού νερού που διεισδύει υπόγεια από τη θάλασσα. Η πίεση που δημιουργείται από τα γλυκά υπόγεια ύδατα στους παράκτιους υδροφόρους ορίζοντες αντιστέκεται στην κίνηση του θαλασσινού νερού προς την ξηρά.

Η μη βιώσιμη χρήση του υδροφόρου ορίζοντα μέσω της υπεράντλησης πηγαδιών και πηγών μειώνει τους όγκους των γλυκών υπόγειων υδάτων και επιτρέπει την εισροή θαλασσινού νερού. Αυτό είναι ιδιαίτερα προβληματικό σε υδροφόρους ορίζοντες όπου υπάρχουν ρωγμές πετρωμάτων και υποβρύχιες σπηλιές, καθώς το θαλασσινό νερό μπορεί να διεισδύσει γρήγορα στην ενδοχώρα κατά μήκος αυτών των μεγάλων διαδρομών ροής υπόγειων υδάτων.

Οι υποβρύχιες σπηλιές συχνά απορρίπτουν υπόγεια ύδατα στην επιφάνεια της γης, παράγοντας πηγές. Η διείσδυση του θαλασσινού νερού σε τέτοιες σπηλιές μπορεί γρήγορα να καταστήσει το σχετικό νερό πηγής μη πόσιμο. Οι υποβρύχιες σπηλιές φιλοξενούν επίσης ειδικά προσαρμοσμένες μικροβιακές αποικίες, καρκινοειδή και ψάρια. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε αλάτι στο νερό των σπηλαίων μπορεί να καταστήσει αυτά τα μοναδικά οικοσυστήματα μη κατοικήσιμα για τους γηγενείς πληθυσμούς τους.

Μελετήσαμε το Sulphur Springs, ένα υποβρύχιο σύστημα σπηλαίων/πηγών που αναπτύχθηκε κάτω από τη μητροπολιτική Τάμπα, Φλόριντα, ΗΠΑ. Τον περασμένο αιώνα, η άνοιξη έγινε όλο και πιο αλμυρή και στόχος μας ήταν να μάθουμε γιατί. Με αυτόν τον τρόπο, εντοπίσαμε επίσης πιθανές επιπτώσεις στο οικοσύστημα της διείσδυσης του θαλασσινού νερού σε αυτό το σπήλαιο.

Το πρώτο μας βήμα ήταν να ενοποιήσουμε τις ιστορικές πληροφορίες που σχετίζονται με αυτόν τον ιστότοπο. Η μεγάλη πισίνα που παρήγαγε η Sulphur Springs ήταν τουριστικός προορισμός για πολλές δεκαετίες στις αρχές του εικοστού αιώνα, όταν το νερό της πηγής ήταν ακόμα φρέσκο. Στη δεκαετία του 1960, η πόλη άρχισε να αντλεί νερό από το Sulphur Springs για να συμπληρώσει την τοπική δεξαμενή του ποταμού Hillsborough κατά τη διάρκεια της ξηρασίας.

Το 2002, το σύστημα άντλησης τροποποιήθηκε για να επιτρέψει στο εξαγόμενο νερό των πηγών Sulphur να εκτρέπεται απευθείας στον ποταμό Hillsborough κάτω από το φράγμα του ταμιευτήρα. Αυτή η τροποποίηση επέτρεψε στην πόλη να χρησιμοποιήσει το νερό του Sulphur Springs για να μιμηθεί τη ροή του γλυκού νερού του ποταμού Hillsborough, εμποδίζοντας το θαλασσινό νερό να μετακινηθεί προς την ενδοχώρα κατά μήκος του καναλιού του ποταμού, υποστηρίζοντας έτσι τον οικότοπο ψαριών χαμηλής αλατότητας και το θερμικό καταφύγιο μανάτου στις εκβολές ποταμών του ποταμού.

Η εξέτασή μας των ιστορικών δεδομένων αλατότητας των Πηγών Θείου αποκάλυψε δύο συνέπειες της δημοτικής άντλησης νερού σε αυτήν την τοποθεσία. Το πρώτο θα μπορούσε να παρατηρηθεί βραχυπρόθεσμα:η δραστηριότητα εξόρυξης μπορεί να μειώσει το επίπεδο της πισίνας του Sulphur Springs κατά περίπου ένα μέτρο, προκαλώντας γρήγορες αιχμές αλατότητας στο νερό της πηγής. Το δεύτερο ήταν ότι η αλατότητα του Sulphur Springs έχει αυξηθεί κατά περίπου δέκα φορές από πριν ξεκινήσει η εξόρυξη υπόγειων υδάτων σε αυτήν την τοποθεσία.

Χρησιμοποιώντας μόνο δεδομένα αλατότητας, δεν ήταν σαφές από πού προερχόταν το αλμυρό νερό - πολλοί υδροφορείς περιέχουν στρώματα αλατούχου νερού που δεν σχετίζονται με τη σύγχρονη διείσδυση θαλασσινού νερού. Βρεθήκαμε επίσης αντιμέτωποι με έναν άγνωστο μηχανισμό μέσω του οποίου το αλμυρό νερό εισχωρούσε στις Πηγές του Θείου. Αναλύοντας γεωχημικά και υδρολογικά δεδομένα που συλλέχθηκαν στο Sulphur Springs και στον περιβάλλοντα υδροφόρο ορίζοντα, μπορέσαμε να βρούμε κάποιες απαντήσεις.

Οι αναλύσεις μας έδειξαν ότι η αύξηση της αλατότητας στις Πηγές Θείου αντιστοιχούσε σε αυξημένη συμβολή των αλμυρών υπόγειων υδάτων που έμοιαζαν γεωχημικά με θαλασσινό νερό. Από πού προερχόταν αυτό το θαλασσινό νερό; Ο υδροφόρος ορίζοντας γύρω από τις Πηγές του Θείου περιείχε γλυκό νερό και το υποκείμενο σπήλαιο ήταν πολύ μακριά στην ενδοχώρα για να είναι ένας άμεσος αγωγός για διείσδυση θαλασσινού νερού. Για να συνεχίσουμε αυτό το ερώτημα, αναλύσαμε τα χαρακτηριστικά του υδροφόρου ορίζοντα σε περιφερειακή κλίμακα και εξετάσαμε το ίδιο το σπήλαιο Sulphur Springs.

Με άδεια από την πόλη και ακολουθώντας τα πρότυπα της εκπαίδευσής μας στην κατάδυση σε σπηλιές και του επιστημονικού καταδυτικού προγράμματος του πανεπιστημίου μας, εξερευνήσαμε και παρακολουθήσαμε το Σπήλαιο Sulphur Springs έχοντας κατά νου το ερευνητικό μας ερώτημα. Ανακαλύψαμε μικρούς αεραγωγούς διάσπαρτους σε όλο το σπήλαιο που κατά διαστήματα έβγαζαν ζεστό, θειούχο, αλμυρό νερό και φιλοξενούσαν διακριτές μικροβιακές κοινότητες. Αυτές οι οπές εξαερισμού πιθανότατα συνδέονταν με ρωγμές βράχου που ανέσυραν ή παρέκοψαν την υπόγεια σφήνα θαλασσινού νερού.

Λόγω της περίπλοκης στρώσης του βράχου του ασβεστόλιθου που περιβάλλει το Σπήλαιο Sulphur Springs, οι αεραγωγοί του αλμυρού νερού ήταν κατά καιρούς πιο υπό πίεση από το υπόλοιπο σπήλαιο. Ως εκ τούτου, οι αεραγωγοί ήταν σε θέση να συνεισφέρουν αναλογικά περισσότερο αλμυρό νερό στο σπήλαιο όταν η στάθμη της πισίνας της άνοιξης μειώθηκε κατά τη διάρκεια της δραστηριότητας άντλησης ξηρής περιόδου και καθώς η στάθμη του περιφερειακού υδροφόρου ορίζοντα αυξήθηκε κατά τις υγρές εποχές. Η εμφάνιση ξηρασίας που ακολούθησε ο τυφώνας Ίρμα κατά την περίοδο της μελέτης μας έκανε αυτή την τάση πολύ σαφή.

Δεκαετίες δραστηριότητας εξόρυξης υπόγειων υδάτων από την πισίνα του Sulphur Springs και από τον περιφερειακό υδροφόρο ορίζοντα πιθανότατα προκάλεσε την επέκταση της ζώνης ανάμειξης μεταξύ του υπόγειου θαλασσινού νερού και των υπερκείμενων γλυκών υπόγειων υδάτων, φέρνοντας το αλατούχο νερό πιο κοντά στην επιφάνεια της γης - ειδικά στον υδροφόρο ορίζοντα ακριβώς κάτω από το σπήλαιο Sulphur Springs. Επιπλέον, η δραστηριότητα άντλησης στις πηγές του Sulphur Springs που σημειώθηκε από τη δεκαετία του 1960 και εντάθηκε σε μεγάλο βαθμό από το 2002 πιθανότατα επέτρεψε στα σπασίματα που παρεμπόδισαν το Σπήλαιο Sulphur Springs να αντλήσουν νερό από όλο και πιο βαθιά στη σφήνα του θαλασσινού νερού.

Τα ευρήματά μας κατέδειξαν την επίδραση της άμεσης εξόρυξης υπόγειων υδάτων από συστήματα παράκτιων σπηλαίων και έδειξαν τη σημασία της εξέτασης της περιφερειακής δομής και λειτουργίας του υδροφόρου ορίζοντα κατά την ερμηνεία της δυναμικής των τοπικών χαρακτηριστικών. Οι παράκτιες σπηλιές, οι πηγές και οι καταβόθρες είναι εύκολοι στόχοι για την εξόρυξη υπόγειων υδάτων, αλλά η πολυπλοκότητά τους τα καθιστά ευάλωτα σε κακή διαχείριση. Η αυξανόμενη αστικοποίηση των ακτών είναι βέβαιο ότι θα επηρεάσει αυτούς τους τύπους οικοσυστημάτων παγκοσμίως, αλλά η υποβάθμισή τους μπορεί να αποφευχθεί με την ανάπτυξη επιστημονικών σχεδίων διαχείρισης υδροφορέων.

Η τρέχουσα έρευνά μας επικεντρώνεται στον προσδιορισμό της οικολογικής δομής του σπηλαίου Sulphur Springs, το οποίο φιλοξενεί πυκνές αποικίες μικροβιακών χαλιών. Μερικές από αυτές τις αποικίες εξαρτώνται από επιφανειακές οργανικές εισροές στο σπήλαιο, ενώ αυτές που αναπτύσσονται κοντά σε αεραγωγούς αλμυρού νερού παράγουν προφανώς οργανική βιομάζα χρησιμοποιώντας χημική ενέργεια και όχι φωτοσύνθεση, παρόμοια με τη διαδικασία που χρησιμοποιούν τα βακτήρια σε υδροθερμικά οικοσυστήματα βαθέων υδάτων. Τα προσαρμοσμένα σε σπήλαια μαλακόστρακα που ζουν στο Sulphur Springs Cave πιθανότατα βόσκουν σε αυτές τις μικροβιακές αποικίες και οι τούφες μικροβιακών χαλιών που ξεπλένονται από το σπήλαιο μπορεί να συμβάλλουν στον θρεπτικό κύκλο των κατάντη οικοσυστημάτων. Ελπίζουμε επίσης να εντοπίσουμε οικολογικά σχετικές μετρήσεις που μπορούν να χρησιμοποιήσουν οι διαχειριστές υδάτινων πόρων για να διατηρήσουν υγιή οικοσυστήματα που εξαρτώνται από τα υπόγεια ύδατα.

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο The fate of urban sources:Pumping-induced seawater intrusion in a phreatic cave, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Hydrology . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Robert Scharping, Michael Garman, Ryan Henry, Prahathees Eswara και James Garey από το Πανεπιστήμιο της Νότιας Φλόριντα. Υποστηρίχτηκε από επιχορηγήσεις από το Ίδρυμα Ερευνών Σπηλαίων και την Εθνική Σπηλαιολογική Εταιρεία.

Αναφορά

1. Scharping RJ, Garman KM, Henry RP, Eswara PJ, Garey JR. Η μοίρα των αστικών πηγών:Εισβολή θαλασσινού νερού που προκαλείται από άντληση σε φρεατική σπηλιά. J . 2018; 564:230-245. doi:10.1016/j.jhydrol.2018.07.016