Recharge and residence times in an arid area aquifer

Deteriorating water quality in the face of a rising demand for agricultural products triggered interest in the groundwater resources of the Najd dessert, an arid region of southern Oman. Groundwater in this area usually is abstracted from one of the largest aquifers on the Arabian Peninsula, the Umm Er Radhuma aquifer. Increased discharge stands in contrast to limited precipitation: the monsoon is an annual event but it is regionally limited; cyclones infrequently occur within the range of three to seven years. Both are possible sources for groundwater recharge in the Najd. With these preconditions in mind, the present study investigates recharge to the Najd groundwaters as part of an active flow system and evaluates the mean residence time in the deep groundwaters. The tools of choice are a groundwater flow model combined with environmental isotope tracer data. The two-dimensional flow model replicates the characteristics of the aquifer system from the potential recharge area in the south (Dhofar Mountains) to the discharge area in the north (Sabkha Umm as Sammim). The south-to-north gradients and the observed artesian heads in the confined aquifer are reproduced. Simulation results indicate that changes between wet and dry periods caused transient responses in heads and head gradients lasting for several thousand years. Based on the used parameters the model calibration indicated, that a recharge rate of around 4 mm a−1 is sufficient to reproduce current groundwater levels. Since rising groundwater levels were documented after cyclone Keila in November 2011, modern recharge evidently occurs. 36-Cl concentrations and dissolved-helium concentrations indicate that the deep groundwaters in the central Najd are up to 550,000 years old. Thus, radiocarbon values indicating groundwater residence times for the central Najd up to 20,000 years and the northern Najd up to 35,000 years underestimate the groundwater residence times and seem to have been strongly affected by mixing during sampling. Decreasing 36-Cl and increasing 4-He concentrations confirm the expected trend in the direction of groundwater flow and prove to be more robust tracers for age dating of Najd groundwaters. Backward pathline tracking was used to simulate the groundwater ages. The tracking results show that a total porosity value between 15 and 20 % is consistent with the range of the observed chlorine-36 and heliumbased ages. The results and parameters obtained in the present study provide the basis for future 3D-groundwater models designed to evaluate the water resources available to the Najd’s agricultural complex. In addition, the developed 2D-model allows for studies of paleoclimate scenarios and their influence on the groundwater regime.Ein steigender Bedarf nach landwirtschaftlichen Produkten - und damit Wasser - bei gleichzeitiger Abnahme des verfügbaren Wassers in Qualität und Menge in den bisherigen Anbaugebieten, führt zu einer intensiven Nutzung der Grundwasserressourcen der ariden Najd-Region in der Provinz Dhofar, im Süden des Sultanats Oman. Als Quelle dienen die Grundwasservorräte des Umm Er Radhuma-Aquifers, einer der Hauptaquifere auf der arabischen Halbinsel. Der steigenden Nutzung stehen mit dem jährlichen Monsoon, der regional limitiert ist, und unrgelmässigen, zwischen 3 und 7 Jahren auftretenden Unwettern (Zyklonniederschlag) nur begrenzte Niederschlagsmengen als Quellen für eine mögliche Zufuhr von Wasser (Grundwasserneubildung) zum Aquifersystem gegenüber. Der Ansatz der vorliegenden Arbeit besteht darin, mit Hilfe eines Grundwassermodells und der Einbeziehung von Umweltisotopen das tiefe und zur Nutzung geförderte Grundwasser in der Najd-Region als Teil eines aktiven Fließsystemes zu untersuchen und mittlere Verweilzeiten des Grundwassers abzuleiten. Ein 2D-Grundwassermodell entlang einer Fließlinie vom Dhofar Gebirge im Süden zur Sabkha Umm as Sammim im Nordosten wurde entwickelt. Das Modell reproduziert den Süd-Nord-Gradienten als auch den aufwärts gerichteten Gradienten mit höheren Grundwasserständen in den tiefen Grundwasserleitern. Die Simulationen zeigen, dass der Wechsel von ariden und humiden Phasen (wenig bzw. viel Grundwasserneubildung) zu Veränderungen der Grundwasseroberfläche führt die mehrere tausend Jahre anhalten können. Das kalibrierte Grundwassermodel zeigt, dass mit einer Neubildungsrate von 4 mm a−1 die natürlichen Grundwasserverhältnisse im Najd abgebildet werden können. Dass eine moderne Grundwasserneubildung stattfindet, konnte mittels Loggermessungen anhand steigender Grundwasserstände im tiefen Aquifersystem nach dem Extremunwetter im November 2011 (Zyklon Keila) eindeutig nachgewiesen werden. Die Analyse der 36Cl- und 4He-Konzentrationen zeigt, dass die tiefen Grundwasser im zentralen Najdgebiet bis 550 000 Jahren alt sein können. Das bedeutet allerdings, dass die über 14C Daten berechneten Grundwasseralter mit ca. 20 000 Jahren für das zentrale Najdgebiet und bis zu 35 000 Jahren für den nördlichen Najd, die Grundwasseralter deutlich unterschätzen. Die abnehmenden 36Cl und ansteigenden 4He Konzentrationen zeigen den erwarteten Trend in Grundwasserfließrichtung und können als aussagefähige Tracer für die Bewertung der Verweilzeiten und Alter des fossilen Grundwassers der Najd-Region angesehen werden. Mit Hilfe des Partickeltrackings wurden die Grundwasseralter, basierend auf den Isotopentracern, im Grundwassermodel simuliert. Die Porosität wurde dabei für das Aquifesystem mit Werten zwischen 15 und 20 % bestimmt. Die generierten Parameter und das gewonnene Systemverständnis sind eine wichtige Basis für zukünftige 3D-Modellstudien welche die Verfügbarkeit der Wasserresourcen im Najd untersuchen werden. Weitere Anwendungen für das in dieser Studie aufgebaute 2D-Modell sind Untersuchungen zum Paläoklima und dessen Einfluss auf das Grundwassersystem