Regional stable isotope and hydrochemistry investigation in Yemen and in the representative area "Sana'a basin"

Abstract

Within this a physico-chemical and isotopes study, major ions, temperature, electrical conductivity, pH and environmental stable isotope deuterium (2H) and oxygen-18 (18O) data were used to characterize the ground- and spring water the complex multi aquifers system of the Sana’a basin in the central Yemen highland’s. A total of 24 groundwater samples from deep wells (boreholes and dug) and 13 springs were collected from the Sana’a basin between September and October 2009. Major anions (Cl-, HCO3-, NO3- SO42- and Br-) and major cations (Ca2+, Mg2+, Na+ and K+) were measured. Additionally, the concentration of selected heavy metals (As, Pb, Cu, Ni, Co, Cd, Fe, Mn, Al and Zn) in groundwater samples was determined. The physical parameters, which include water temperature, electrical conductivity and pH, and determination of hydrogen-carbonate, were measured on site. The ground- and spring water samples collected from the Sana’a basin were classified in groups according to their major ions (anions and cations) contents. The classical use of the groundwater in hydrology is to produce information concerning the water quality. The classification was based on several hydrochemical methods, such as Ca+2 and Mg+2 hardness, Sodium Absorption Ration (SAR),Magnesium hazard, saturation indices (SI) and Piper and Schoeller diagram. To ensure the suitability of ground- and spring water in Sana’a basin for drinking purpose, the hydrochemical parameters are compared with the guideline recommended by World Health Organization (WHO) and National Water Resources Authority (NWRA) standards. In order to check the suitability of ground- and spring water for irrigation purposes the data were plotted on the U.S. SALINITY LABORATORY (U.S.S.L) diagram. The physicochemical investigation of the ground- and spring water samples collected from Sana’a basin reflects the following results: The hydrochemical characteristic of ground- and spring water in the Sana’a basin differs from one aquifer to another according to the lithology of the aquifer. Based on Piper- and Schoeller-diagram, five hydrochemical water facies (groups) were recognized as following: Group 1: Low mineralized water-type of Ca-HCO3 in the western parts of the basin Group 2: Water-type of Ca-Na-Mg-HCO3 (SO4 -CL) occurs in the north-east part of the basin and central of the city of Sana’a. Group 3: Water-type of Ca-Na-HCO3 (CL)- characterized by moderate to high electrical conductivities. Group 4: Water-type of Na-HCO3 (SO4 -CL) presents mainly in the volcanic aquifer in the southern part. Group 5 (single sample): Water-type of Na-K-HCO3 characterized by low (280µS/cm) and high concentration of alkaline minerals. Based on Ca+2 and Mg+2hardness, the samples were classified into four categories; very hard with values range from 181 to 1108mg/l, hard (139-179mg/l), medium hard (112-120mg/l) and soft water (8-58mg/l). The calculated saturation shows that the groundwater water of Sana’a is under-saturated (SI<0) with respect to the minerals calcite, dolomite, anhydrite and gypsum. Generally, the measured EC values, the calculated SAR and Magnesium hazard values indicate that the water in Sana’a basin is suitable for irrigation purposes. The calculated SAR values fall in the ‘excellent’ category. Based on USSL diagram, most of the samples fall in the categories S1 and C2-C3 indicating a low to medium sodium hazard and medium to high salinity hazard. The final dataset of the stable isotopes oxygen-18 and D in 248 rainwater samples collected from differences geographic regions in Yemen derives two regression lines considered as local meteoric water lines. One line constructed for the highland region with slope 7.1 (n=127) differs slightly from the global slope 8.0 and named as Yemen Highland’s meteoric water line (YHMWL) defined by the equation: δD = 7.1*δ18O + 8.2‰ and one other derived for the coastal regions named Coastal meteoric water line (Coastal MWL) for Yemen with slope to be 4.9 (n=88) which typical for evaporated water and defined by the equation: δD = 4.9*δ18O + 7.2‰ For Sana’a region a regression line was derived with slope 7.4 plots between 7.1 given for YHMWL and the global slope 8.0. The regression line, named Sana’a meteoric water line (SMWL), defined by the equation: δ2H = 7.4*δ18O + 8.6 The most important factors affecting the isotopic composition in Yemen’s rainwater are the altitude, temperature, rainfall amount and the humidity. The rainfall events falling on coastal plain are characterized by their content to the heavier isotope composition δ18O and δD. The slope of the line 4.9 indicates that these samples are strongly affected by evaporation due to the higher temperature in this region. In contrast, the rainwater in Yemen highland is depleted in the heavier isotopes composition and the samples are little affected by the evaporation due to the low temperature associated with the increase in the altitude and rainfall amount.

Im Rahmen dieser physiko-chemischen und Isotopen Studie wurden die gemessenen Werte der Hauptionen, Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert und der stabilen Isotope Deuterium (2H) und Sauerstoff-18 (18O) ausgewertet. Es sollen die Beschaffenheiten des Grund- und Quellwasser in einem komplexen Multi- Grundwasserleiter-System im Sana'a Becken im zentralen Hochland des Jemen charakterisiert werden. Die Auswertung erfolgte anhand hydrochemischer und isotopengeochemischer Analysen und der im Feld gemessenen Parameter. Insgesamt wurden 24 Grundwasserproben aus Tiefbrunnen und 13 Quellenwasserproben aus dem Sana'a Becken zwischen September und Oktober 2009 entnommen. In diesen Proben wurden die Hauptanionen (Cl-, HCO3-, NO3- SO42- and Br-) sowie die Kationen (Ca2+, Mg2+, Na+ and K+) gemessen. Zusätzlich wurden die Konzentrationen ausgewählter Schwermetalle (As, Pb, Cu, Ni, Co, Cd, Fe, Mn, Al und Zn) in den Grundwasserproben gemessen. Die physikalischen Parameter (Wassertemperatur, elektrische Leitfähigkeit (EC), pH-Wert und das Hydrogenkarbonat) wurden vor Ort gemessen. Die Proben wurden nach ihrer chemischen Zusammensetzung (Haupt- Kationen und Anionen) in Gruppen klassifiziert. Die Klassifizierung wurde mittels folgender hydrochemischer Methoden durchgeführt: 1-die gesamte Wasserhärte (Ca+2 und Mg+2), 2-Natrium Absorption Ratio (SAR), 3- Magnesium Gefahr (MH) 4-Sättigungsindizes (SI) and 5-Piper und Schoeller-Diagramm, bezüglich Kalzit, Dolomit, Gips und Anhydrit. Um die Wasserqualität im Sana'a Becken für Haushaltszwecke zu evaluieren, wurden die gemessenen physico- chemischen Parameter mit den Werten (Richtlinien), welche von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der Nationalen Wasserbehörde (NWRA, Jemen) empfohlen wurden, verglichen. Für die Überprüfung der Wasserqualität für Bewässerungszwecke wurden die gemessenen Werte auf dem von USSL erstellten Diagramm eingetragen. Mittels Piper- und Schoeller-Diagramm wurden fünf Wassergruppen erkannt: Gruppe 1: Gering mineralisierte Wasserproben (Ca- HCO3-Typ) mit EC 230-560μS/cm. Diese Wassergruppe ist die dominante im Becken. Gruppe 2: Wasser-Typ Ca-Na-Mg-HCO3 (SO4-CL). Diese Gruppe tritt im nord- östlichen Teil des Beckens und der zentralen Sana'a City auf. Gruppe 3: Wasser-Typ Ca-Na-HCO3 (CL) zeichnet sich durch mittlere bis hohe elektrische Leitfähigkeit. Gruppe 4: Wasser-Typ Na-HCO3 (SO4-CL) in den vulkanischen Grundwasserleitern im südlichen Teil des Beckens. Gruppe 5 (einzelne Probe): Wasser-Typ Na-K-HCO3 zeichnet sich durch niedrige Leitfähigkeit (280μS/cm) aus und eine hohe Konzentration von Alkalien Mineralien Na und K. Basierend auf die gesamte Wasserhärte (Ca+2 und Mg+2) wurden die Proben in vier Kategorien eingeteilt: sehr hartes mit werte liegen zwischen 181 bis 1108mg/l, hartes (139-179), mittelhartes (112-120mg/l) und weiches Wasser (8-58mg/l). Die berechneten SI zeigen, dass das Grundwasser im Sana'a Becken nicht gesättigt (SI <0) ist in Bezug auf die Mineralien Calcit, Dolomit, Anhydrit und Gips mit Ausnahme von zwei Grundwasserproben. Die berechneten gesamten gelösten Salze (TDS), SAR and MH zeigen, dass das Wasser in Sana'a Becken geeignet ist für die Bewässerung. Nach SAR-Werte liegen die Proben in der Klasse "ausgezeichnet" mit durchschnittlichem TDS von 1.72meq/l. Auf dem USSL Diagramm fallen die meisten Proben in die Kategorien S1 und C2-C3 (niedrige bis mittlere Natrium- Gefahr und mittlere bis hohe Salinität- Gefahr). Die gemessenen Werte δ18O and δD aus insgesamt 248 Niederschlagproben wurden für die Erstellung einer lokalen meteorischen Wasserlinie (LMWL) für Jemen verwendet. Die Proben wurden aus verschiedenen geographischen Regionen im Jemen gesammelt. Anhand der gemessenen Werte wurden zwei LMWL gezeichnet. Eine Linie wurde mit den Proben, die aus großen Höhen stammen, dargestellt. Diese Proben (n=127) zeigen einen schwachen Verdunstungs-Trend unter hoher Luftfeuchtigkeit und niedrigen Temperaturbedingungen an. Sie zeichnen eine Regressgerade mit der Steigung 7.1. Diese unterscheidet sich nur geringfügig von der globalen Steigung von 8.0. Die Linie ist definiert durch die Gleichung (genannt als YHMWL): δD = 7.1 * 18O + 8.2 ‰ Mit den Proben, die aus den Küsten- und niedrigen Höhenregionen genommen wurden, wurde die Zweite Linie erstellt (genannt als Coastal-MWL). Diese Proben (n=88) zeigen eine extreme Anreicherung, die einer für offene Wasserflächen typischen Verdunstungslinie folgen und sind definiert durch die Gleichung: δD = 4.9 * 18O + 7.2 ‰ Die Steigung 4.9 ist charakteristisch für Niederschlagereignisse, die unter extreme Verdunstung, niedrige Luftfeuchtigkeit und hohen Temperaturbedingungen fallen. Für Sana'a Region wurde LMWL basierend auf Isotopendaten von 65 Niederschlagproben entwickelt. Die Proben wurden aus drei Stationen innerhalb Sana'a Stadt genommen. Die Daten zeichnen eine Regressionsgerade deren Steigung bei 7.4 liegt. Sie liegt damit zwischen 7.1 für YHMWL und der globalen Steigung von 8.0. Sie wird benannt als Sana’a Meteorische Wasserlinie (SMWL) und ist definiert durch die Gleichung: δD = 7.4 * 18O + 8.6‰ Die wichtigsten Faktoren, die die Isotopenzusammensetzung im Regenwasser des Jemen beeinflussen, sind Höhe, Lufttemperatur, Niederschlagsmenge und Luftfeuchtigkeit. Die Niederschlagereignisse, die auf die küstennahen Regionen fallen, sind durch ihren Gehalt an schwereren Isotopen 18O und D gekennzeichnet. Die Steigung 4.9 zeigt, dass das Regenwasser in diesen Regionen stark durch Verdunstung bedingt durch die höhere Temperatur in diesen Regionen betroffen ist. Im Gegensatz dazu ist das Regenwasser im Jemen Hochland mit leichten Isotopen angereichert. Die Proben aus dem Hochland sind aufgrund der niedrigen Temperatur und zunehmende Regenmenge weniger verdunstet.