Aquifers underjordiska butiker av sötvatten

Aquifers är underjordiska lager av berg som är mättade med vatten som kan föras till ytan genom naturliga fjädrar eller genom pumpning.

Grundvattnet som finns i akviferer är en av de viktigaste källorna till vatten på jorden: Cirka 30 procent av vårt flytande sötvatten är grundvatten, enligt National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Resten finns vid ytan i bäckar, sjöar, floder och våtmarker. De flesta av världens sötvatten - cirka 69 procent - är låsta i glaciärer och iskappar. U.S. Geological Survey webbplats har en karta över viktiga aquifers i det sammanhängande USA.

Grundvatten finns i en mängd olika typer av berg, men de mest produktiva akvifrerna finns i porös, genomtränglig sten som sandsten, eller de öppna hålrummen och grottorna i kalkstenar. Grundvatten rör sig lättare genom dessa material, vilket möjliggör snabbare pumpning och andra metoder för att extrahera vattnet. Aquifers kan också hittas i regioner där berget är tillverkat av tätare material - som granit eller basalt - om berget har sprickor och sprickor.

"Aquifers finns i många former och storlekar, men de är verkligen ett innehållande, underjordiskt förvar med vatten," sade Steven Phillips, en hydrolog vid U.S. Geological Survey (USGS) i Sacramento, Kalifornien.

Tätt, ogenomträngligt material som lera eller skiffer kan fungera som ett "vattenbruk", dvs ett lager av berg eller annat material som är nästan ogenomträngligt för vatten. Genom grundvatten kan röra sig genom sådant material, kommer det att göra det mycket långsamt (om inte alls). Fel eller berg kan också blockera rörelsen av färskt grundvatten, liksom havet, säger Phillips.

En akvarn kan fånga grundvatten i en akvifer och skapa en artesisk brunn. När grundvatten rinner under en vattenlevande från ett högre höjdområde till en lägre höjd, till exempel från en bergs sluttning till ett dalbotten, kan trycket på grundvattnet vara tillräckligt för att tvinga vattnet ur någon brunn som borras in i denna akvifer. Sådana brunnar är kända som artesiska brunnar, och akvifererna som de utnyttjar kallas artesiska akviferer eller slutna akviferer.

Hur grundvattnet rör sig

När nytt ytvatten kommer in i en akvifer "laddas upp" grundvattenförsörjningen. Laddning sker främst nära berg, och grundvatten rinner vanligtvis nedåt från bergssluttningar mot bäckar och floder med tyngdkraften, sade Phillips. Beroende på densiteten för berget och marken genom vilket grundvattnet rör sig kan det krypa längs så långsamt som några centimeter under ett sekel, enligt Environment Canada. I andra områden, där berget och marken är lösare och mer permeabel, kan grundvatten röra sig flera meter på en dag.

Vattnet i en akvifer kan hållas under jordens yta under många århundraden: Hydrologer uppskattar att vattnet i vissa akviferer är mer än 10 000 år gammalt (vilket innebär att det föll till jordens yta som regn eller snö ungefär 6000 år före Egypts stora pyramid av Giza byggdes). Det äldsta grundvatten som någonsin hittats upptäcktes 2,4 km djupt i en kanadensisk gruva och fångades där mellan 1,5 och 2,64 miljarder år sedan.

Men ju djupare man gräver efter vatten, desto saltare blir vätskan, säger Phillips. "Grundvatten kan vara väldigt, väldigt djupt, men så småningom är det en saltlösning," sade han. "För sötvatten är djupet mycket begränsat."

Mycket av det dricksvatten som samhället beror på finns i grunt vattenfisk. Till exempel levererar Ogallala Aquifer - en enorm grundvattenbehållare på 174 000 kvadratkilometer (450 000 kvadratkilometer) - nästan en tredjedel av USA: s jordbruksgrundvatten, och mer än 1,8 miljoner människor litar på Ogallala Aquifer för deras dricksvatten. 

På samma sätt får Texas nästan 60 procent av sitt vatten från grundvatten; i Florida levererar grundvatten mer än 90 procent av statens sötvatten. Men dessa viktiga källor till sötvatten äventyras alltmer.

Hot mot vattendrag

År 2010 hade cirka 30 procent av Ogallala Aquifers grundvatten tappats, enligt en studie från 2013 från Kansas State University. Vissa delar av Ogallala Aquifer är nu torra, och vattenbordet har sjunkit mer än 300 fot i andra områden. Mer än två tredjedelar av detta Ogalalla-grundvatten kunde dräneras under de kommande decennierna, konstaterade studien.

"Vattennivåerna har just gått ner, ner, ner," sade Phillip. "Många av det systemet laddades upp för 10.000 år sedan under den senaste glaciärperioden, och det vi gör nu är att bryta vattnet. Vi tar ut gammalt vatten som inte fylls på."

Samma problem finns i allt större utsträckning över hela världen, särskilt i områden där en snabbt växande befolkning ställer större efterfrågan på begränsade akviferresurser - pumpning kan på dessa platser överstiga akviforns förmåga att ladda grundvattenförsörjningen.

När pumpning av grundvatten resulterar i en sänkning av vattentabellen, kan vattentabellen sjunka så lågt att det är under djupet för en brunn. I dessa fall "rinner brunnen" och inget vatten kan tas bort förrän grundvattnet har laddats - vilket i vissa fall kan ta hundratals eller tusentals år.

När marken sjunker på grund av grundvattenpumpning kallas det insjup. I Kaliforniens södra San Joaquin Valley, där jordbrukare förlitar sig på brunnar för bevattning, landade ytan 28 fot (8,5 meter) mellan 1920-talet och 1970-talet, enligt NASA, som använder satellitdata för att spåra uppsättning.

"Landbundenhet är ett hot mot vattenmassor och även för infrastruktur på ytan," sade Phillips.

Förutom grundvattennivåerna, kan kvaliteten på vattnet i en akvifer hotas av saltvatteninträngning (ett särskilt problem i kustområden), biologiska föroreningar som gödsel eller septiktankutsläpp och industriella kemikalier som bekämpningsmedel eller petroleumprodukter. Och när en akvifer förorenats är det notoriskt svårt att sanera.

Ytterligare resurser:

• U.S. Water Monitor är en daglig "vattenhälsa" -rapport som sammanfattar federala vatteninformation.
• USGS tillhandahåller information om vattenkvalitet i amerikanska akviferer.
• USGS National Water Information System: s interaktiva karta över rikstäckande vattendata.

Denna artikel uppdaterades 17 oktober 2018 av Associate Editor, Tia Ghose.