Using environmental isotopes in the study of the recharge-discharge mechanisms of the Yarmouk catchment area in Jordan

The recharge sources, the flow mechanisms and discharge areas of the different groundwater bodies underlying the Yarmouk River catchment area in Jordan, have, until now, not been adequately explained, although a wide range of hydrological, hydrogeological, and hydrochemical studies have been done. Along the Jordanian part of the catchment area of the Yarmouk River, groundwater issues from different aquifers with a variety of chemistries and types within the same aquifer and in between the different aquifers. Conventional recharge/discharge mechanisms, water balances and chemical analyses did not adequately explain the chemical variations and the different water types found in the area. Applying environmental isotopic tools combined with their altitude effects due to topographic variations (250–1,300 m a.s.l. within a distance of 20 km), and taking into consideration re-evaporation effects on the isotopic depletion and enrichment of rainwater, has greatly helped in understanding the recharge discharge mechanisms of the different aquifers. Precipitation along the highlands of an average of 600 mm/year is found to be depleted in its isotopic content of O¹⁸ = –7.0 to –7.26 and D = –32.2 to –33.28, whereas that of the Jordan Valley of 350 mm/year is highly enriched in isotopes with O¹⁸ = –4.06 and D = –14.5. The groundwater recharged along the highlands is depleted in isotopes (O¹⁸ = ~ –6, D = ~ –30), groundwater at the intermediate elevations is enriched (O¹⁸ = ~ –5, D = ~ –23) and that of the Jordan Valley aquifers containing meteoric water is highly enriched (O¹⁸ ~ –3.8, D = ~ –18). The deep aquifers in the Jordan Valley foothills are depleted in isotopes (O¹⁸ –18 = –6, D = –30) and resemble those of the highland aquifers. Only through using isotopes as a tool, were the sources of the different groundwater bodies and recharge and discharge mechanisms unambiguously explained. It was found that recharge takes place all over the study area and produces groundwater, which, from the highlands towards the Jordan Valley, shows increasing enrichment in isotopes. The highlands aquifer, with its groundwater depleted in isotopes, becomes confined towards the Jordan Valley; and, due to its confining pressure, leaks water upwards into the overlying aquifers causing their water to become less enriched in isotopes. Water depleted in its isotopic composition also seeps upward to the ground surface at the mountain foothills through faults and fissures.

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Resumen Las fuentes de recarga, los mecanismos de flujo y las áreas de descarga de los diferentes cuerpos de agua subterránea que subyacen el área de la cuenca del Río Yarmouk en Jordania, se han explicado de manera no ambigua únicamente mediante la aplicación de los isótopos como herramienta. A lo largo de la parte Jordana del área de la cuenca del Río Yarmouk el agua subterránea emerge de diferentes acuíferos con una variedad de tipos y composiciones, ya sea que provengan del mismo acuífero o de diferentes acuíferos. Los mecanismos convencionales de recarga/descarga, balances hídricos y variaciones químicas no han podido explicar las variaciones químicas y los diferentes tipos de aguas. La aplicación de herramientas de isótopos ambientales combinadas con los efectos de altitud derivados de variaciones topográficas (250 hasta 1,300 m s.n.m. en una distancia de 20 km) y tomando en consideración los efectos de re-evaporación en el empobrecimiento de isótopos y enriquecimiento del agua de lluvia han ayudado fuertemente en el entendimiento de los mecanismos de recarga/descarga de los diferentes acuíferos. La precipitación en el área varía de 600 mm/año, a lo largo de las tierras altas, a 350 mm/año en el área del Valle Jordán. El flujo de agua subterránea ocurre de las tierras altas hacia el Valle Jordán. El agua subterránea de las tierras altas está empobrecida en isótopos (O¹⁸ =~ –6, D =~ –30), el agua subterránea de elevaciones intermedias está enriquecida (O¹⁸ =~ –5, D =~ –23), y el agua de los acuíferos del Valle Jordan contiene agua meteórica que se encuentra altamente enriquecida (O¹⁸ =~ –3.8, D =~ –18). Los acuíferos profundos que se localizan al pie de las tierras altas del Valle Jordán están empobrecidos en isótopos (O¹⁸ =~ –6, D =~ –30) y son similares a los acuíferos de las tierras altas. Solo al aplicar los isótopos ambientales como herramienta pudo explicarse de manera inequívoca las fuentes de los diferentes cuerpos de agua subterránea y los mecanismos de recarga y descarga.

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Résumé Les zones de recharge, les mécanismes découlement et les zones de décharges des différentes masses deau souterraine sous le bassin versant de la rivière Yarmouk en Jordanie, étaient expliquées de manière ambiguë par les seuls outils isotopiques. Le long de la parti Jordanienne du bassin versant de la rivière Yarmouk leau souterraine provient de différents aquifères et se distinguent par leur type et leur composition chimique, selon que leau provient du même ou des différents aquifères. Les mécanismes conventionnels de recharge et de décharge, bilan hydrologique ne donnaient pas dexplications satisfaisantes concernant les variations chimiques et les différents types deau. En appliquant les isotopes environnementaux combinés aux effets de laltitude sur les variations des teneurs isotopiques (laltitude varie de 250 à 1,300 m sur une distance de 20 km.) et en prenant en considération les effets de ré-évaporation sur lappauvrissement et lenrichissement isotopique des eaux pluviales ont fortement contribués à une meilleure compréhension des mécanismes de recharge des différents aquifères. Les précipitations annuelles sont comprises entre 600 mm dans les zones en altitude et 350 mm dans la vallée de la Jordanie. Les écoulements de leau souterraine sont dirigés des zones en altitude vers la vallée de la Jordanie. Les eaux souterraines des zones en altitude sont isotopiquement appauvries (O¹⁸ = ~ –6, D = ~ –30), les eaux souterraines des zones de moyenne altitude sont enrichies (O¹⁸ = ~ –5, D = ~ –23) et les eaux de la vallée très enrichies (O¹⁸ ~ –3.8, D = ~ –18). Les aquifers profonds dans la vallée de la Jordanie sont appauvris (O¹⁸ –18 = –6, D = –30) et se confondent avec les eaux des zones situées en altitude. En appliquant uniquement les isotopes environnementaux comme des outils de compréhension des phénomènes hydrogéologiques, la source des différentes masses deau souterraines, les mécanismes de la recharge et de la décharge pourraient être expliqués de manière ambiguë.