A local-scale groundwater flow model for groundwater resources management in Dakhla Oasis,SW Egypt

Dakhla Oasis is located in the Western Desert of Egypt. Groundwater exploited from the Nubian Sandstone aquifer is the only available water resource in this area. This resource has been heavily exploited since 1960, which has led to a substantial decline in the potentiometric surface of the aquifer. A regional numerical groundwater flow model, calibrated under unsteady-state conditions, has been developed and used to investigate the hydrodynamic impacts of different groundwater management options on the potentiometry of the aquifer. To account for local details and to allow a precise analysis of pumping and the resulting drawdown in Dakhla Oasis, a local-scale model was developed by refining the grid cells in the calibrated regional model. The local-scale model gave a detailed picture about the expected drawdown due to the different groundwater management options in the next 100 years. The simulated results indicated that the planned increase in groundwater extraction will have a major impact on groundwater flow patterns in the whole area located southwest of Dakhla Oasis.

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Resumen El oasis Dakhla está situado en el gran desierto occidental de Egipto. El agua subterránea que se extrae del acuífero de roca arenosa nubia es la única fuente de agua disponible en esta área. Este recurso ha sido explotado en medida considerable desde 1960. Este hecho he causado una disminución sustancial en la superficie potenciométrica del acuífero. Se ha desarollado un modelo de flujo de agua subterránea numérico regional calibrado bajo condiciones de estado variable. Este modelo se ha utilizado para investigar el impacto hidrodinámico que diferentes opciones de manejo de aguas subterráneas tienen sobre la potenciometría del acuífero. Se desarolló un modelo de escala local mediante el refinamiento de las células de malla en el modelo regional calibrado con el objecto de involucrar los detalles locales y de permitir un análisis preciso del bombeo y disminución del nivel de aqua resultante en el oasis Dakhla. El modelo de escala local proporcionó un imagen detallada de la disminución de nivel esperada según las diferentes opciones de manejo de agua subterranea en los próximos 100 años. Los resultados simulados indican que el incremento de extración planificado en la agua subterránea tendrá un gran impacto en el patrón de flujo de agua subterranea en toda el area ubicada al suroeste del oasis de Dakhla.

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Résumé Loasis de Dakhla est située dans la partie occidentale du désert dÉgypte. La seule source deau disponible dans la région provient de lexploitation de laquifère gréseux de Nubian. Cette ressource a largement été exploitée depuis 1960, résultant en la diminution significative de la surface piézométrique de laquifère. Un modèle numérique découlement régional de leau souterraine, calibré en régime transitoire, a été développé et utilisé afin détudier les impacts hydrodynamiques de différents scénarios de gestion de laquifère sur la surface piézométrique. Afin dinclure les particularités locales et de réaliser une analyse précise du pompage et du rabattement qui y est associé dans lOasis de Dakhla, un modèle local découlement a été développé en raffinant le maillage dans le modèle régional préalablement calibré. Le modèle local découlement fournit une image détaillée du rabattement prévu pour les cent prochaines années selon les différents scénarios de gestion de laquifère. Les résultats obtenus par simulation numérique indiquent que laugmentation prévue dans lexploitation de leau souterraine aura un impact majeur sur les patrons découlement de leau souterraine dans toute la région située au sud-ouest de loasis de Dakhla.

     

Introductory review of specific factors influencing urban groundwater, an emerging branch of hydrogeology, with reference to Barcelona, Spain

A number of specific factors must be considered when dealing with groundwater in urban areas. Urbanization significantly affects the natural water cycle, both in terms of quantity and quality. In particular, the main contributors to recharge and discharge clearly differ from those in natural systems. Moreover, water can affect underground structures and infrastructure characteristics of cities such as basements, public transport services (trains, underground railways, etc.), and utility conduits. As a result, urban groundwater is emerging as a distinct branch of hydrogeology. The objective of this paper is to review some of the topics that are specific to urban groundwater. These include (1) fluctuations in groundwater levels caused by changes in land and water uses; (2) pollution problems caused by point or non-point sources in urban areas; (3) characterization and quantification of the components contributing to groundwater recharge and discharge; (4) specific characteristics of groundwater flow and solute transport models in urban areas; and (5) integration of data for sustainable urban water management. Some of these issues are illustrated for the particular case of Barcelona, where a comprehensive hydrogeological study has been carried out during the last few years by both the public and the private sectors.

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Resumen Se debe considerar una serie de factores específicos al tratar las aguas subterráneas en áreas urbanas. El proceso de urbanización afecta el ciclo natural del agua de manera significativa tanto en lo que se refiere a cantidad como a calidad. En particular, los contribuyentes principales a la recarga y descarga claramente difieren de aquellos aplicables a los sistemas naturales. Es más, el agua puede afectar los estructuras subterráneas de las ciudades tales como sótanos, servicios de transporte público (trenes, trenes subterráneos) y los servicios básicos. Como resultado de esto, la hidrogeologia urbana está emergiendo como una rama específica de la hidrogeología. El objectivo de este artículo es revisar algunos de los temas que son específicos al agua subterránea urbana. Estos incluyen: 1) Fluctuaciones en los niveles de agua subterránea causados por cambios en los usos de terreno y del agua; 2) Problemas de contaminación causados por fuentes puntuales o no puntuales en áreas urbanas; 3) Caracterización y cuantificación de los componentes que contribuyen a la recarga y descarga de agua subterránea; 4) Características especificas de flujo de agua subterránea y modelos de transporte de solutos en áreas urbanas; y 5) Integración de datos para el manejo sostenible de agua urbana. Algunos de estos puntos se han ilustrados para el caso particular de Barcelona en donde se ha llevado a cabo un estudio hidrogeológico amplio durante los últimos años tanto por el sector privado como el público.

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Résumé Une série de facteurs spécifiques doit être considérée lorsque leau souterraine en région urbaine est étudiée. Lurbanisation affecte significativement le cycle naturel de leau, autant du point de vue quantitatif que qualitatif. Plus particulièrement, les zones de recharge et de décharge diffèrent considérablement des systèmes naturels. Leau souterraine peut affecter les structures souterraines ainsi que les infrastructures municipales telles que les sous-sols, les systèmes de transport publique (trains, métros, ...) et les conduits de service. De ce fait, lhydrogéologie en milieu urbain émerge comme une branche distincte de lhydrogéologie classique. Lobjectif de cet article est de revoir certaines notions qui sont spécifiques à létude de leau souterraine en milieu urbain. Parmi ces notions : 1) les fluctuations de la nappe phréatique causées par des changements dans lutilisation du territoire et de leau, 2) les problèmes de pollution causés par des sources ponctuelles ou diffuses en milieu urbain, 3) la caractérisation et quantification des composants qui contribuent à la recharge et décharge des aquifères, 4) les caractéristiques spécifiques des modèles découlement de leau souterraine et de transport de solutés en milieux urbain, et 5) lintégration des données pour la gestion durable de leau en milieu urbain. Certaines de ces questions sont étudiées pour le cas particulier de la ville de Barcelone où une étude hydrogéologique complète a été menée au cours des dernières années par les secteurs privé et public.

     

Groundwater demand management at local scale in rural areas of India: a strategy to ensure water well sustainability based on aquifer diffusivity and community participation

Watershed development programmes provide an opportunity for sustainable management strategies, although currently, they remain largely supply-side mechanisms of water resources development. Hydrogeological conditions, community participation and status of groundwater usage are important in evolving strategies on demand-side groundwater management.Neemkheda aquifer is a typical low-storage, low-hydraulic conductivity aquifer from a watershed in the dryland regions of Madhya Pradesh State of central India. A shallow unconfined aquifer, it consists of an upper coarse, calcareous sandstone unit underlain by a fine-grained sandstone unit. A well commune of seven wells is poised to test the concept of joint groundwater management, wherein wells are mechanisms of tapping a common water source, the Neemkheda aquifer.The strategy for systematic groundwater management in the Neemkheda well commune is based upon the relationship between Transmissivity (T) and Storage coefficient (S), i.e. aquifer diffusivity, and its variation within the aquifer. Wells within a high diffusivity domain tend to dewater more quickly than wells within a low diffusivity domain. A well-use schedule during the dry season, based upon aquifer diffusivity forms the basis of the groundwater management concept. The distribution of local aquifer diffusivities governs the relationship between local and regional aquifer depletion times and forms the basis of the groundwater management exercise being proposed for the Neemkheda aquifer.

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Resumen Los programas de desarrollo de una cuenca hídrica son una oportunidad para el uso de estrategias de gestión sostenible, aunque hoy en día estas siguen siendo principalmente mecanismos para el desarrollo de recursos hídricos con énfasis en la oferta. Las condiciones hidrogeológicas, la participación comunitaria y la condición de utilización del agua subterránea, son importantes en el desarrollo de estrategias para la gestión del agua subterránea, desde el punto de vista de la demanda.El acuífero de Neemkheda es un acuífero típico de almacenamiento bajo y conductividad hidráulica baja, perteneciente a una cuenca hídrica ubicada en las regiones secas del Estado de Madhya Pradesh, en la parte central de India. Un acuífero de tipo libre, somero, formado por una unidad superior de arenisca calcárea de grano grueso, subyacida por una unidad de arenisca de grano fino.Un campo de pozos comunitario compuesto por siete pozos, pone a prueba el concepto de gestión conjunta del agua subterránea, dentro del cual los pozos son mecanismos para usar una fuente de agua común: El acuífero de Neemkheda.La estrategia usada para la gestión sistemática del agua subterránea, en el campo de pozos comunitario de Neemkheda, se basa en la relación existente entre Transmisividad (T) y Coeficiente de Almacenamiento (S), es decir en la Difusividad del Acuífero y en su variación observada dentro del mismo acuífero. Los pozos cuya difusividad esta dentro de un rango alto, tienden a experimentar un descenso en su nivel mas rápidamente que aquellos pozos con una difusividad baja. El concepto de gestión de agua subterránea se basa en un programa especial de operación para cada pozo durante la estación seca, el cual a su vez se basa en la difusividad del acuífero. La distribución de difusividades locales del acuífero rige las relaciones entre las épocas de descensos de nivel en el acuífero a escala regional y local, y además constituyen la base del ejercicio de la gestión del agua subterránea que se esta proponiendo para el acuífero de Neemkheda.

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Résumé Les programmes de développement des bassins versants offrent une occasion de développer des stratégies pour une gestion durable, bien qu à présent elles restent en grande mesure le terme source dans le mécanisme de développement de la ressource en eau. Les conditions hydrogéologiques, la participation de la communauté et lusage des eaux souterraines sont importants pour le terme demande dans les stratégies de gestion des eaux souterraines. Laquifère de Neemkheda presents des caractéristiques typiques pour un bassin versant dans les régions arides de létat Madhya Pradesh de lInde centrale en ce qui concerne les faible valeurs de la conductivité hydraulique et du coéfficient demmagasinement. Il sagit dun aquifère phrèatique dont la partie supérieure est constitué par des grès calcaire qui restent sur des grés plus fins. Afin dessayer le concept de gestion integrée, on a réalisé dans laquifère de Neemkheda un captage ayant sept forages qui forment la ressource en eau communale. La stratégie de la gestion systématique du captage est basée sur la relation entre la transmissivité (T), le coéfficient demmagasinement (S), donc la diffusivité hydraulique ainsi que sa variation spatiale. Les puits forés dans les zones à grande diffusivité tendent à sassècher plus vite que ceux creusés dans des zones à faible diffusivité. Le concept de la gestion des eaux souterraines est donc basé sur la distribution spatiale des diffusivités. À partir de ce concept on a développé un programme dexploitation des forages pendant les saisons sèches. La relation entre les temps d épuissment locaux et régionaux est determiné par la distribution spatiale de la diffusivitée et forme la base de lexercice sur la gestion des eaux proposée pour laquifère de Neemkheda.

     

Quaternary Aquifer of the North China Plain—assessing and achieving groundwater resource sustainability

The Quaternary Aquifer of the North China Plain is one of the worlds largest aquifer systems and supports an enormous exploitation of groundwater, which has reaped large socio-economic benefits in terms of grain production, farming employment and rural poverty alleviation, together with urban and industrial water-supply provision. Both population and economic activity have grown markedly in the past 25 years. Much of this has been heavily dependent upon groundwater resource development, which has encountered increasing difficulties in recent years primarily as a result of aquifer depletion and related phenomena. This paper focuses upon the hydrogeologic and socio-economic diagnosis of these groundwater resource issues, and identifies strategies to improve groundwater resource sustainability.

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Resumen El acuífero cuaternario de la Llanura Septentrional de China es uno de los mayores sistemas acuíferos del mundo y soporta una enorme explotación de su agua subterránea, las cuales han originado grandes beneficios socioeconómicos en términos de producción de grano, empleo en agricultura y mitigación de la pobreza rural, además de proveer agua para abastecimiento urbano e industria. Tanto la población como la actividad económica han crecido mucho en los últimos 25 años con una gran dependencia de las aguas subterráneas, que ha encontrado dificultades recientes por la explotación intensiva del acuífero y fenómenos relacionados. Este artículo se centra en la diagnosis hidrogeológica y socioeconómica de los problemas relacionados con las aguas subterráneas e identifica estrategias para mejorar la sustentabilidad de este recurco.

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Résumé Laquifère Quaternaire de la Plaine du Nord de la Chine est lun des plus grands systèmes aquifères du monde; il permet une exploitation énorme deau souterraine, qui a permis des très importants bénéfices socio-économiques en terme de production de céréales, demplois ruraux et de réduction de la pauvreté rurale, en même temps que lapprovisionnement en eau potable et pour lindustrie. La population comme lactivité économique ont remarquablement augmenté au cours de ces 25 dernières années. Elles ont été sous la forte dépendance du développement de la ressource en eau souterraine, qui a rencontré des difficultés croissantes ces dernières années, du fait du rabattement de laquifère et des phénomènes associés. Cet article est consacré aux diagnostiques hydrogéologique et socio-économique des retombées de cette ressource en eau souterraine; il identifie les stratégies pour améliorer la pérennité des ressources en eau souterraine.

     

Understanding and managing the stressed Mexico-USA transboundary Hueco bolson aquifer in the El Paso del Norte region as a complex system

As the latest drought has swept over the southwestern United States, most local and regional water providers have had to rely on ground water to meet their water demands as surface water supplies have diminished. In areas near major population centers this situation has continued to put strain and stress on already over-drafted regional aquifers. Metropolitan centers throughout the southwestern United States, as exemplified by Las Vegas, Nevada; Phoenix and Tucson, Arizona; and El Paso, Texas, have a history of over drafting their available ground water resources. How these stressed aquifers should be managed is an urgent issue. In El Paso, Texas long-term groundwater mining in the transboundary Hueco bolson aquifer has resulted in large water level drawdowns within the basin, particularly in several well fields. This situation has promoted the intrusion of brackish water into fresh water zones, and consequently reduced the volume of fresh water stored in the aquifer. Management of this aquifer is made more complex as the water resources of the region are shared across the United States/Mexico boundary and the transboundary region continues to grow rapidly. This paper describes the current situation within the Hueco bolson due to over drafting and continued reliance on the fresh water in storage and describes how understanding the dynamics of the aquifer as a complex system can offer managerial perspectives that can be used to establish operational procedures and programs for bringing drawdowns into equilibrium, increasing the longevity of the aquifer, gradually restoring water quality, and offering the hope of utilization of the resource in a sustainable manner.

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Resumen A medida que la última sequía ha pasado ligeramente sobre el suroeste de Estados Unidos la mayoría de abastecedores locales y regionales de agua han tenido que depender del agua subterránea para satisfacer sus demandas de agua debido a que las fuentes de agua superficial han disminuido. En áreas cerca de centros poblados principales esta situación ha continuado ejerciendo presión en los ya sobre explotados acuíferos regionales. Los centros metropolitanos en todo el suroeste de Estados Unidos, por ejemplo Las Vegas, Nevada; Fénix y Tucson, Arizona; y El Paso, Texas tienen una historia de sobre explotar los recursos de agua subterránea disponibles.La gestión de estos acuíferos estresados constituye un problema urgente. En El Paso, Texas el minado de agua subterránea a largo plazo en el acuífero transnacional Hueco bolsón ha resultado en varios campos de pozos. Esta situación ha promovido la intrusión de agua salobre hacia zonas con agua fresca y reducido consecuentemente el volumen de agua fresca almacenado en el acuífero. El manejo de este acuífero se hace más complejo debido a que los recursos hídricos de la región son compartidos a través del límite Estados Unidos/México y la región transnacional continúa creciendo rápidamente. Este artículo describe la situación actual dentro del Hueco bolsón debido a la sobre explotación y continua dependencia en el agua fresca almacenada y describe como el entendimiento de la dinámica del acuífero como un sistema complejo puede ofrecer perspectivas de gestión que pueden utilizarse para establecer procedimientos operacionales y programas que conduzcan al equilibrio de los descensos, aumentando la longevidad del acuífero, gradualmente restaurando la calidad del agua, y ofreciendo la esperanza de utilizar el recurso de manera sostenible.

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Résumé Alors que la dernière sécheresse a atteint toute la partie Sud-Ouest des Etats-Unis, la plus part des distributeurs deau, locaux et régionaux, doivent sapprovisionner en eau souterraine dés lors que les niveaux des eaux de surface ont diminués. Dans les zones proches des grands centres densément peuplés, cette situation a continuée a altérée des aquifères déjà surexploités. Les centres métropolitains du Sud-Ouest des Etats-Unis (Las Vegas dans le Nevada, Phoenix et Tucson dans lArizona, El Paso au Texas) sont connus historiquement pour surexploités leurs ressources en eaux souterraines. Il devient urgent de définir un mode de gestion de ses aquifères surexploités. A El Paso dans le Texas, le minage de laquifère transfrontalier engendre un rabattement important dans le bassin, et plus particulièrement autour des zones de captage. Cette situation a induit lintrusion deaux saumâtres dans des zones deaux douces, et a par conséquent réduit le volume deau douce stockée et exploitable dans laquifère. La gestion de cet aquifère est par ailleurs complexifiée par la situation transfrontalière, dautant que la zone frontalière connaît une croissance rapide. Cet article décrit la situation actuelle dans la vallée fermée du Hueco, due au sur-rabattement et à lexploitation continue des eaux douces, et décrit comment la compréhension de laquifère, vu comme un système complexe, peut offrir des perspectives de gestion amenant à des procédures opérationnelles et à des programmes à long terme permettant de ramener à léquilibre la baisse des niveaux deau. Ainsi la longévité de laquifère sera mieux garantie, la qualité de leau sera graduellement restaurée et lutilisation de leau respectera le souci de développement durable.

     

Temporal changes in the physical properties and chemical composition of the municipal water supply of Shahrood<Emphasis Type="Bold">,</Emphasis> northeastern Iran

A systematic monitoring program was implemented in 1999 to evaluate the temporal changes in the physical properties and chemical composition of water from the Shahrood Qanat, which provides 30% of Shahroods municipal water needs. A qanat is a near-horizontal gallery which yields water by gravity. The results show that the physical properties, in contrast to the concentration of ions, are in an almost steady state condition and the slight variations are due to the travel time of water in the qanat gallery, the mixing of qanat water, the seasonal temperature fluctuation, and the likely unavoidable errors associated with long-term monitoring. They also show that severe drought during the past nine years has not yet affected the groundwater quality. The TDS of the qanat water is relatively low and the water is of the calcium-bicarbonate type. However, the above average concentrations of nitrate (14.9 mg/L) and phosphate (0.105 mg/L) may reflect the impact of the excessive use of fertilizers in the capture zone of the qanat. High Ca, Mg, pH, and a higher-than-recommended hardness value reflect the influence of carbonate-rock formations on the groundwater composition. The study shows that systematic monitoring is required to identify the erroneous data, to optimize the monitoring program and to characterize the water quality trend.

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Resumen En 1999 fue implementado un programa intensivo y sistemático de monitoreo, para evaluar los cambios temporales en las propiedades físicas y en la composición química de la galería para captar agua tipo kanat de Shahrood. Los resultados muestran que las propiedades físicas se encuentran casi en una condición estacionaria y que las poco significativas y tenues variaciones, se deben al tiempo de viaje del agua en la galería kanat, a la mezcla del agua del kanat, a la fluctuación estacional de temperaturas y a los probables e inevitables errores asociados con el monitoreo de largo plazo. Con base en los resultados del presente estudio se determinó que las sequías más severas, ocurridas durante los últimos nueve años, no han afectado aún la calidad del agua subterránea. El contenido de TDS en el agua del kanat es relativamente bajo y el agua es del tipo bicarbonatada-calcica. Sin embargo las concentraciones por encima del promedio de nitratos (14.5 mg/L) y fosfatos (0.105 mg/L), reflejan el impacto del uso excesivo de fertilizantes en la zona de captura del kanat, sobre la calidad del agua subterránea. Los valores altos de Ca, Mg, pH y dureza reflejan la influencia de las formaciones carbonatadas sobre la composición del agua subterránea. El estudio muestra que se necesita un monitoreo sistemático para identificar los datos erróneos, lo mismo que para optimizar el programa de monitoreo y para predecir potenciales cambios futuros en la calidad del agua.

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Résumé A partir de 1999 on a mis au point un programme de surveillance systématique pour évaluer les changements temporelle des propriétés physiques et chimiques de leau du captage de type qanat de Shahrood. Il a résulté que les propriétés physiques sont presque stationnaires, les variations insignifiants ayant dues au temps de transfert et au mélange de leau dans la galerie, aux variations saisonnières de la température ainsi quaux erreurs inévitables associées à une surveillance à long terme. Cet étude a montré aussi que la qualité de leau na pas été influencée par la période de neuf ans de sécheresse. Le résidu à sec de leau présente des variations assez faibles et leau appartient à la catégorie de Calcium-Bicarbonate. Tout de même les valeurs moyennes des concentrations en nitrates (14.5 mg/L) et en phosphates (0.105 mg/L) mettent en évidence limpact de lutilisation excessive des engrains dans les zones de captage de qanat de Shahrood. Les valeurs élevées de la concentrations en Ca et Mg, du pH et le fait que la dureté dépasse les limites recommandées mettent en évidence linfluence des carbonates de la matrice sur la composition des eaux souterraines. Cet étude montre aussi quil est nécessaire une surveillance systématique affin didentifier les données erronées, doptimiser le programme de monitoring et destimer les changements potentielles de la qualité de leau.

     

A very large scale GIS-based groundwater flow model for the Nubian sandstone aquifer in Eastern Sahara (Egypt,northern Sudan and eastern Libya)

A three-dimensional GIS-based groundwater flow model for the Nubian Sandstone Aquifer in the eastern Sahara was developed and calibrated under steady-state and transient conditions. The model was used to simulate the response of the aquifer to climatic changes that occurred during the last 25,000 years. The simulation results indicated that the groundwater in this aquifer was formed by infiltration during the wet periods 20,000 and 5,000 years b.p. The recharge of groundwater due to regional groundwater flow from more humid areas in the south was excluded. It also indicates that the Nubian Aquifer System is a fossil aquifer, which had been in an unsteady state condition for the last 3,000 years.

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Resumen Fue desarrollado un modelo de flujo de agua subterránea en tres dimensiones, basado en un SIG, para el Acuífero Arenisca Nubian en el Sahara Oriental, el cual fue calibrado para condiciones de estado estacionario y transitorio. El modelo se usó para simular la respuesta del acuífero a los cambios climáticos que ocurrieron durante los últimos 25000 años. Los resultados de esta simulación indicaron que el agua subterránea en este acuífero, se formó por infiltración, durante los períodos húmedos que hubo hace 20000 y 5000 años, antes del presente. Fue excluida la recarga del acuífero debida a un flujo regional de agua subterránea proveniente de áreas con un clima más húmedo en el sur. El modelo también muestra, que el Sistema Acuífero Nubian es un acuífero fósil, el cual ha permanecido en una condición de estado no estacionario, durante los últimos tres mil años.

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Résumé Pour laquifère gréseux Nubien de Sahara -Est on a mis au points un modèle tridimensionnel, basé sur GIS. Le modèle a été calibré tant pour lécoulement stationnaire que pour lécoulement transitoire. On a simulé après la réponse de laquifère aux changements climatiques des derniers 25000 ans. Les résultats des simulations indiquent que la nappe a été rechargée par des infiltrations pendant une période humide qui sétend 5000 et 20000 ans, dès temps actuel. On na pas pris en compte la recharge de laquifère par la zone plus humide située dans sa partie sud. Le modèle indique aussi que leau de laquifère Nubien est une eau fossile qui a eu un écoulement transitoire pendant les derniers 3000 ans.

     

Groundwater recharge and sustainability in the High Plains aquifer in Kansas, USA

Sustainable use of groundwater must ensure not only that the future resource is not threatened by overuse, but also that natural environments that depend on the resource, such as stream baseflows, riparian vegetation, aquatic ecosystems, and wetlands are protected. To properly manage groundwater resources, accurate information about the inputs (recharge) and outputs (pumpage and natural discharge) within each groundwater basin is needed so that the long-term behavior of the aquifer and its sustainable yield can be estimated or reassessed. As a first step towards this effort, this work highlights some key groundwater recharge studies in the Kansas High Plains at different scales, such as regional soil-water budget and groundwater modeling studies, county-scale groundwater recharge studies, as well as field-experimental local studies, including some original new findings, with an emphasis on assumptions and limitations as well as on environmental factors affecting recharge processes. The general impact of irrigation and cultivation on recharge is to appreciably increase the amount of recharge, and in many cases to exceed precipitation as the predominant source of recharge. The imbalance between the water input (recharge) to the High Plains aquifer and the output (pumpage and stream baseflows primarily) is shown to be severe, and responses to stabilize the system by reducing water use, increasing irrigation efficiency, adopting water-saving land-use practices, and other measures are outlined. Finally, the basic steps necessary to move towards sustainable use of groundwater in the High Plains are delineated, such as improving the knowledge base, reporting and providing access to information, furthering public education, as well as promoting better understanding of the publics attitudinal motivations; adopting the ecosystem and adaptive management approaches to managing groundwater; further improving water efficiency; exploiting the full potential of dryland and biosaline agriculture; and adopting a goal of long-term sustainable use.

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Resumen El uso sostenible de aguas subterráneas debe garantizar tanto que el recurso futuro no esté amenazado por sobreutilización como que los ambientes naturales dependientes del recurso sean protegidos (ie el flujo base de los arroyos, la vegetación ripariana, los ecosistemas acuáticos y los pantanos). El manejo adecuado de los recursos de aguas subterráneas requiere información precisa con respecto a los influjos (recarga) y descargas (bombeo y descarga natural) en cada cuenca de aguas subterráneas de tal manera que se pueda estimar o reevaluar el comportamiento de largo plazo del acuífero y su tasa de sotenibilidad. En un primer paso hacia esta meta, este trabajo destaca algunos estudios claves de recarga de aguas subterráneas en las llanuras altas de Kansas. Dichos estudios se concentran en diferentes escalas: estudios regionales del presupuesto para aguas del suelo y modelos de aguas subterráneas, estudios de recarga de aguas subterráneas a nivel provincial y estudios locales experimentales de terrenos que incluyen algunos interesantes descubrimientos nuevos. Estas investigaciones comparten el énfasis en los presupuestos de partida y las limitaciones así como en los factores ambientales que afectan los procesos de recarga. El impacto general de las irrigaciones y cultivos sobre la recarga es un obvio incremento en el monto de recarga y en muchos casos excede a la precipitación como la fuente principal de recarga. Se puede observar que el desequilibrio entre el influjo de agua (recarga) del acuífero de las llanuras altas y la descarga (bombeo y flujos base de los arroyos principalmente) es severo. Asimismo, se describen las respuestas para estabilizar el sistema a través de la reducción del uso de agua por medio del incremento de la eficiencia de las irrigaciones y de la adopción de las prácticas de ahorro de agua y del uso de tierras así como otras medidas adicionales. Finalmente se describen los pasos básicos necesarios para evolucionar hacia el uso sostenible de las aguas subterráneas en las llanuras altas de Kansas. Estos pasos están constituidos por una mejora del conocimiento base, comunicar y proporcionar fácil acceso a la información, mejorar el conocimiento público general así como promover un mejor entendimiento de las motivaciones para las actitudes de la comunidad, adoptar los enfoques administrativos de ecosistemas y administración adaptable en el manejo de las aguas subterráneas, continuar las mejoras del uso eficiente del agua, explotar el potencial de la agricultura de terrenos áridos y biosalina y adoptar como meta el uso sostenible a largo plazo.

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Résumé Lutilisation durable de leau souterraine doit permettre non seulement que la pérennité de leau ne soit pas menacée, mais aussi que les environnements naturels qui dépendent de cette ressource, tels que la végétation riveraine, les écosystemes aquatiques et les milieux humides, soient protégés. Afin dassurer une gestion appropriée des ressources en eau souterraine, une information précise concernant les entrées (recharge) et les sorties (décharge naturelle et pompage) deau dans chacun des bassins est nécessaire afin que le comportement à long terme de laquifère et le taux de pompage durable puissent être estimés. En guise dinitiative, ce travail illustre certaines études clé concernant la recharge de leau souterraine à plusieurs échelles dans les hautes plaines du Kansas. Ces études comprennent le bilan sol-eau et la modélisation numérique à léchelle régionale, létude de la recharge des nappes souterraines à léchelle du comté, des études expérimentales à petite échelle et certaines découvertes originales. Lors de la présentation de ces études, lemphase est portée sur les hypothèses et limitations ainsi que sur les facteurs environmentaux qui affectent les processus de recharge. En général, les effets de lirrigation et de lagriculture sur la recharge sont daugmenter considérablement le taux de recharge, et dans plusieurs cas, dexcéder les précipitations comme principale source de recharge. Le déséquilibre entre les intrants deau (recharge) et entrants (pompage et écoulement de base dans les rivières) dans laquifère des hautes plaines est très important. Les résultats des efforts de stabilisation du système aquifère en diminuant lutilisation deau, en améliorant lefficacité des techniques dirrigation, en adoptant des pratiques dutilisation du territoire qui réduisent lutilisation deau et en adoptant certaines autres mesures sont présentés. Enfin, les étapes de base nécessaires afin datteindre une utilisation durable de leau souterraine dans les hautes plaines sontexposées. Elles comprennent lamélioration des connaissance de base, lapromotion dune meilleure compréhension de la motivation et de lattitudedu public, ladoption dune approche de gestion de leau souterraineadaptable et basée sur les écosystèmes, lamélioration de lefficacitédutilisation de leau, lexploitation du plein potentiel de lagriculturebiosaline et en milieu aride, et ladoption dun objectif pourlutilisation durable à long terme.

     

Numerical simulation of groundwater flow in regional rock aquifers, southwestern Quebec, Canada

The St. Lawrence Lowlands platform, Quebec, Canada, is a densely-populated area, heavily dependent on groundwater resources. In 1999, the Geological Survey of Canada initiated a large-scale hydrogeological assessment study over a 1,500 km² region northwest of Montreal. The objectives were to define the regional groundwater flow, and to give quantitative estimates of the groundwater dynamic parameters and of the available groundwater resources. The applied approach consisted of defining the hydrogeologic framework, hydraulic properties of the aquifer units, and groundwater dynamic components. Lower Paleozoic sedimentary rocks represent regional aquifer units. Coarse Quaternary fluvio-glacial sediments locally overlay the rock sequence and constitute an interface aquifer unit. Fine marine sediments confine most of the regional aquifers. Collected GIS based information was synthesized in a finite element numerical model. The regional saturated steady-state flow was calibrated under current stress conditions assuming an equivalent porous medium approach. Water budget calculations show that the total groundwater flow in regional aquifers amounts to 97.7 Mm³/y. Infiltration from precipitation provides 86.6% of the groundwater supply, while 9.6% comes from subsurface inflow and the remaining 3.8% is induced recharge from surface waters. Discharge from regional aquifers occurs through flow to streams (76.9%), groundwater withdrawal (18.4%), and underground outflow (4.7%).

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Resumen La plataforma de Tierras Bajas San Lorenzo, Quebec, Canadá, es un área densamente poblada que depende fuertemente de recursos de agua subterránea. En 1999 el Servicio Geológico de Canadá inició un estudio de evaluación hidrogeológica a gran escala sobre un área de 1,500 km² en la región noroeste de Montreal. Los objetivos fueron definir el flujo regional de agua subterránea y aportar estimados cuantitativos de los parámetros dinámicos de agua subterráne y de los recursos disponibles de agua subterránea. El enfoque aplicado consistió en definir el marco hidrogeológico, propiedades hidráulicas de las unidades acuíferas, y los componentes dinámicos de agua subterránea. Rocas sedimentarias del Paleozoico Inferior representan unidades regionales de acuíferos. Sedimentos fluvio-glaciares Cuaternarios gruesos sobreyacen localmente la secuencia rocosa y constituyen una unidad acuífera interfacial. Sedimentos marinos finos confinan la mayoría de acuíferos regionales. Información colectada basada en SIG se sintetizó en un modelo numérico de elemento finito. El flujo regional saturado en régimen permanente se calibró bajo condiciones de stress asumiendo un enfoque de medio poroso equivalente. Los cálculos de balance hídrico muestran que el flujo total de agua subterránea en acuíferos regional alcanza 97.7 Mm³/año. Infiltración a partir de lluvia aporta el 86.6% del abastecimiento al agua subterránea, mientras que el 9.6% proviene de entradas subsuperficiales y el restante 3.8% consiste de recarga inducida a partir de aguas superficiales. La descarga proveniente de acuíferos regionales ocurre a través de flujo a ríos (76.9%), utilización de agua subterránea (18.4%), y salida subterránea (4.7%).

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Résumé La plateforme Lowllands du Saint-Laurent, Québec, Canada, est une aire densément peuplée, dépendant grandement des ressources en eau souterraine. En 1999, le Service Géologique du Canada a initié une étude hydrogéologique à grande-échelle sur 1500 km² au Nord-Ouest de Montréal. Le sobjectifs ont été de définir la dynamique de lécoulement régional, et de donner des estimations quantitatives des paramètres dynamiques des ressources disponibles en eau souterraine. Lapproche utilisée consista à définir le cadre hydrogéologique de travail, les propriétés hydrauliques des unités aquifères, et les composantes dynamiques des eaux souterraines. Les roches sédimentaires du Paléozoïque Inférieur représentent les unités aquifères régionales. Les sédiments marins fins confinent la plus grande partie des aquifères régionaux. Les informations de base, collectées dans un SIG, ont été synthétisées dans un modèle numérique aux éléments finis. Lécoulement permanent régional, en zone saturée, a été calibré en conditions de stress en assumant une approche de milieu poreu équivalent. Les calculs du bilan hydrologique montrent que lécoulement total des eaux souterraines dans les aquifères régionaux atteind 97,7 Mm³/an. Linfiltration à partir des précipitations apporte 86.6% de leau souterraine exploitée; sachant que 9,6% proviennent découlement de subsurfaces, et que les 3,8% restants proviennent de la recharge via les eaux de surface. Le débit pompé des aquifères régionaux apparaît à travers lécoulement des cours deau, le rabattement des eaux souterraines (18.4%), et lécoulement ascendant (4.7%).

     

Three-dimensional variable-density flow simulation of a coastal aquifer in southern Oahu, Hawaii, USA

Three-dimensional modeling of groundwater flow and solute transport in the Pearl Harbor aquifer, southern Oahu, Hawaii, shows that the readjustment of the freshwater–saltwater transition zone takes a long time following changes in pumping, irrigation, or recharge in the aquifer system. It takes about 50 years for the transition zone to move 90% of the distance to its new steady position. Further, the Ghyben–Herzberg estimate of the freshwater/saltwater interface depth occurred between the 10 and 50% simulated seawater concentration contours in a complex manner during 100 years of the pumping history of the aquifer. Thus, it is not a good predictor of the depth of potable water. Pre-development recharge was used to simulate the 1880 freshwater-lens configuration. Historical pumpage and recharge distributions were used and the resulting freshwater-lens size and position were simulated through 1980. Simulations show that the transition zone moved upward and landward during the period simulated.Previous groundwater flow models for Oahu have been limited to areal models that simulate a sharp interface between freshwater and saltwater or solute-transport models that simulate a vertical aquifer section. The present model is based on the US Geological Surveys three-dimensional solute transport (3D SUTRA) computer code. Using several new tools for pre- and post-processing of model input and results have allowed easy model construction and unprecedented visualization of the freshwater lens and underlying transition zone in Hawaiis most developed aquifer.

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Electronic Supplementary Material Supplementary material is available in the online version of this article at .

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Resumen La modelación tridimensional del flujo de agua subterránea y del transporte de solutos en el acuífero de Pearl Harbor, en la parte sur de Oahu, Hawaii, muestra que el reajuste de la zona de transición agua dulce–agua salada, toma un largo tiempo a partir de cambios en el bombeo, irrigación o recarga en el sistema acuífero. Le toma alrededor de 50 años, a la zona de transición, moverse el 90% de la distancia hacia su nueva posición estacionaria. Además, el estimativo de Ghyben–Herzberg, sobre la profundidad de la interfase agua dulce–agua salada, se encuentra entre el 10 y el 50% en los contornos simulados de concentración de agua salada, de una manera compleja, durante 100 años de la historia de bombeo del acuífero. Por tanto, no es este un buen predictor de la profundidad del agua potable. Se utilizó una recarga pre – desarrollo, para simular la configuración del lente de agua dulce en 1880. Fueron utilizadas las distribuciones históricas del bombeo y de la recarga y se simularon el tamaño y posición resultantes del lente de agua dulce hasta 1980. Esas simulaciones muestran que la zona de transición se movió tierra adentro y hacia arriba, durante el periodo que se simuló.Los anteriores modelos de flujo para agua subterránea en Oahu, han sido limitados a modelos areales, que simulan una interfase abrupta entre agua dulce y agua salada, o bien han sido modelos de transporte de solutos que simulan una sección vertical del acuífero. El modelo presente está basado en el programa de computador del US Geological Survey (3D SUTRA), para transporte de solutos en tres dimensiones. Mediante el uso de varias herramientas nuevas para pre – procesamiento y post – procesamiento de las entradas y resultados del modelo, se ha permitido una construcción fácil del mismo y una visualización sin precedentes del lente de agua dulce y de la zona de transición subyacente en el acuífero más desarrollado de Hawaii.

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Résumé La modélisation tridimensionnelle de lécoulement et du transport dans la partie sud de laquifère Oahu-Hawai montre que le temps de réajustement de la zone de transition entre leau douce et leau salée est assez long et dépend de la variation des pompages et des irrigations, ainsi que de la recharge du système aquifère. Il sont nécessaires 50 ans pour que la zone de transition parcoure 90% de la distance qui la sépare de sa nouvelle position. La profondeur du biseau estimée par le schéma Ghyben–Herzberg se trouve entre les contours de 10 et 50% de la concentration de leau salée. Ce résultat a été obtenu après la simulation de lhistoire du pompage de laquifère pendant une période de 100 ans. Donc le schéma Ghyben–Herzberg conduit aux valeurs erronées de la profondeur de leau potable. La valeur de la recharge davant lexploitation de laquifère a été utilisée pour simuler la configuration des lentilles deau douce en 1880. En utilisant lhistoire du pompage et la distribution de la recharge ont on a simulé les dimensions et le positions des lentilles deau douce jusqu› en 1980. Les simulation montrent que le mouvement de la zone de transition est ascendant et vers le continent.Les modèles antérieurs de la zone dOahu ont été des modèles locaux qui ont simulé une interface nette eau douce-eau salée ou des modèles de transport bidimensionnels, dans une coupe verticale. Le modèle actuel est basé sur le code 3D-SUTRA, réalisé par le Service Géologique des États-Unis. L› utilisation des différents techniques de traitement des données a permis une construction facile du modèle, ainsi qu› une visualisation sans précédent des lentilles deau douces et de la zone de transition sous-jacente dans le plus grand aquifère du Hawai.

     

Aquifers and hyporheic zones: Towards an ecological understanding of groundwater

Ecological constraints in subsurface environments relate directly to groundwater flow, hydraulic conductivity, interstitial biogeochemistry, pore size, and hydrological linkages to adjacent aquifers and surface ecosystems. Groundwater ecology has evolved from a science describing the unique subterranean biota to its current form emphasising multidisciplinary studies that integrate hydrogeology and ecology. This multidisciplinary approach seeks to elucidate the function of groundwater ecosystems and their roles in maintaining subterranean and surface water quality. In aquifer-surface water ecotones, geochemical gradients and microbial biofilms mediate transformations of water chemistry. Subsurface fauna (stygofauna) graze biofilms, alter interstitial pore size through their movement, and physically transport material through the groundwater environment. Further, changes in their populations provide signals of declining water quality. Better integrating groundwater ecology, biogeochemistry, and hydrogeology will significantly advance our understanding of subterranean ecosystems, especially in terms of bioremediation of contaminated groundwaters, maintenance or improvement of surface water quality in groundwater-dependent ecosystems, and improved protection of groundwater habitats during the extraction of natural resources. Overall, this will lead to a better understanding of the implications of groundwater hydrology and aquifer geology to distributions of subsurface fauna and microbiota, ecological processes such as carbon cycling, and sustainable groundwater management.

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Resumen Los entornos ecológicos en ambientes subsuperficiales están relacionados directamente con el flujo de agua subterránea, la conductividad hidráulica, biogeoquímica intersticial, tamaño de los poros, y vínculos hidrológicos con acuíferos adyacentes y ecosistemas superficiales. La ecología del agua subterránea ha evolucionado a partir de una ciencia que describe la biota subterránea única hasta alcanzar la forma actual que enfatiza estudios multidisciplinarios que integran hidrogeología y ecología. Este enfoque multidisciplinario busca clarificar la función de los ecosistemas de agua subterránea y sus roles en el mantenimiento de la calidad de agua superficial y subterránea. En ecotonos de agua superficial y de acuíferos, los gradientes geoquímicos y biopelículas microbiales median transformaciones de calidad de agua. La fauna subsuperficial (estigofauna) se alimenta de biopeliculas, altera el tamaño de los poros intersticiales mediante su movimiento, y transporta físicamente material a través del ambiente de aguas subterráneas. Además, los cambios en sus poblaciones aportan señales de decadencia de calidad de agua. La mejor integración de ecología de aguas subterráneas, biogeoquímica, e hidrogeología incrementará significativamente nuestro entendimiento de ecosistemas subterráneos, especialmente en términos de bioremediación de aguas subterráneas contaminadas, mantenimiento o mejoramiento de calidad de agua superficial en ecosistemas dependientes de agua subterránea, y protección mejorada de habitats de agua subterránea durante la extracción de recursos naturales. Sobretodo, esto conducirá a un mejor entendimiento de las implicaciones de la hidrología de aguas subterráneas y geología del acuífero, de las distribuciones de fauna subsuperficial y microbiota, procesos ecológicos tal como ciclado de carbono, y gestión sostenible de aguas subterráneas.

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Résumé Les contraintes écologiques dans les environnements de subsurface sont en relation directe avec les écoulements des eaux souterraines, la conductivité hydraulique, la biogéochimie des milieux interstitiels, la taille des pores, et les liens hydrologiques avec les aquifères et les écosystèmes adjacents. Lécologie des eaux souterraines a évolué dune science décrivant uniquement les biotopes souterrains à des études multidisciplinaires qui intègrent lécologie et lhydrogéologie. Lapproche multidisciplinaire cherche à élucider le fonctionnement des écosystèmes souterrains et leur rôle consistant à maintenir la qualité des eaux souterraines et de surface. Dans les écotones des eaux de la surfaces des aquifères, les gradients géochimiques et les biofilms microbiologiques contrôlent les transformations de la qualité de leau. La faune de subsurface (stygofauna) construisent les biofilms, altèrent la taille des pores interstitiels à travers leur mouvement, et transportent physiquement des matériaux à travers lenvironnement des eaux souterraines. Par ailleurs, les changements de leur population signalent un déclin de la qualité de leau.Une meilleure intégration de lécologie des eaux souterraines, de la biogeochimie, et de lhydrogéologie pourra faire avancer de manière efficace de notre compréhension des écosystèmes souterrains, et spécialement en terme de bioremédiation des eaux souterraines contaminées, de maintenance et damélioration de la qualité des eaux de surface dépendant des écosystèmes souterrains, et lamélioration de la protection des habitats des eaux souterraines durant lextraction des ressources naturelles. En général, cela conduira à une meilleure compréhension de limplication de lhydrogéologie et de la géologie des aquifères à la distribution de la faune de subsurface et aux microbiota, aux processus écologiques tels que les cycles du carbone, et la gestion durable des eaux souterraines.

     

Validation of an intrinsic groundwater pollution vulnerability methodology using a national nitrate database

The importance of groundwater for potable supply, and the many sources of anthropogenic contamination, has led to the development of intrinsic groundwater vulnerability mapping. An Analysis of Co-Variance and Analysis of Variance are used to validate the extensively applied UK methodology, based upon nitrate concentrations from 1,108 boreholes throughout England and Wales. These largely confirm the current aquifer and soil leaching potential classifications and demonstrate the benefits of combining soil and low permeability drift information. European legislation such as the Water Framework Directive will require more dynamic assessments of pollutant risk to groundwater. These results demonstrate that a number of improvements are required to future intrinsic groundwater vulnerability methodologies. The vertical succession of geological units must be included, so that non-aquifers can be zoned in the same way as aquifers for water supply purposes, while at the same time recognising their role in influencing the quality of groundwater in deeper aquifers. Classifications within intrinsic vulnerability methodologies should be based upon defined diagnostic properties rather than expert judgement. Finally the incorporation into groundwater vulnerability methodologies of preferential flow in relation to geological deposits, soil type and land management practices represents a significant, but important, future challenge.

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Resumen La importancia de las aguas subterráneas en el abastecimiento de agua potable, y las muchas fuentes de contaminación antropogénica, ha llevado al desarrollo del mapeo de vulnerabilidad a la contaminación intrínseca de aguas subterráneas. Se han utilizado un análisis de co-varianza y análisis de varianza para validar la metodología que se ha aplicado extensamente en UK basada en concentraciones de nitrato de 1108 pozos a través de Inglaterra y Gales. Se confirma ampliamente las clasificaciones actuales de acuíferos y potencial de lixiviación del suelo y se demuestra los beneficios de combinar la información de suelos y derrubios de baja permeabilidad. La legislación europea tal como el Marco Directivo del Agua requerirá evaluaciones más dinámicas del riesgo a la contaminación de agua subterránea. Estos resultados demuestran que se requieren varias mejoras en las metodologías futuras de vulnerabilidad intrínseca a la contaminación de agua subterránea. Tiene que incluirse la secuencia vertical de las unidades geológicas de modo que las unidades que no son acuíferos puedan zonificarse de la misma manera que los acuíferos con fines de abastecimiento de agua, mientras que al mismo tiempo se reconozca el papel que tienen en la influencia de la calidad de agua subterránea en acuíferos profundos. Las clasificaciones de las metodologías de vulnerabilidad intrínseca deberían basarse en las propiedades diagnósticas características más que en el juicio experto. Finalmente la incorporación de flujo preferencial en las metodologías de vulnerabilidad de agua subterránea en relación a las formaciones geológicas, tipo de suelo y prácticas de manejo de la tierra representa un desafío futuro no solo significativo sino que importante.

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Résumé Limportance des eaux-souterraines pour lalimentation en eau potable, et les multiples sources de contaminations anthropiques, ont conduit au développement de cartes de vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines aux pollutions. Une analyse de la co-variance et lanalyse de la variance sont utilisées pour valider la méthodologie extensive utilisée en UK, basée sur les concentration en nitrates de 1108 forages en Angleterre et en Ecosse. Ceci confirme les classifications courantes basées sur la nature des aquifères et le potentiel de lessivage des sols, et démontre le bénéfice que lon peut tirer à combiner linformation dérivant des sols et des faibles perméabilités. La législation européenne telle la Directive Cadre Européenne demandera des évaluations plus dynamiques des risques de pollution affectant les eaux souterraines. Ces résultats démontrent quun certain nombre daméliorations sont nécessaires aux futures méthodes de vulnérabilité intrinsèque des eaux souterraines. La succession verticale dunités géologiques doit être pris en compte, de telle manière que les parties non-aquifères puissent être zonées de la même manière que les aquifères pour lapprovisionnement en eaux potables, et reconnaître par la même occasion leur influence sur la qualité des eaux souterraines dans les aquifères profonds. Les classifications utilisées dans les méthodes de vulnérabilité intrinsèque devraient être basées sur les propriétés dun diagnostique défini plutôt que sur un jugement expert. Finalement lincorporation, dans les méthodes de vulnérabilité intrinsèque, des écoulements préférentiels en relation avec les formations géologiques, les types de sol et les pratiques daménagement du territoire représentent un challenge futur significatif et ortant.

     

Recharge areas and geochemical evolution of groundwater in an alluvial aquifer system in the Sultanate of Oman

A regional hydrogeochemical model was developed to evaluate the geochemical evolution of different groundwaters in an alluvial aquifer system in the Interior of Oman. In combination with environmental isotopes the model is able to extract qualitative and quantitative information about recharge, groundwater flow paths and hydraulic connections between different aquifers. The main source of water to the alluvial aquifer along the flow paths of Wadi Abyadh and Wadi Muaydin in the piedmont is groundwater from the high-altitude areas of the Jabal Akhdar and local infiltration along the wadi channels. In contrast, the piedmont alluvial aquifer along Wadi Halfayn is primarily replenished by lateral recharge from the ophiolite foothills to the east besides smaller contributions from the Jabal Akhdar and local infiltration. Further down gradient in the Southern Alluvial Plain aquifer a significant source of recharge is direct infiltration of rain and surface runoff, originating from a moisture source that approaches Oman from the south. The model shows that the main geochemical evolution of the alluvial groundwaters occurs along the flow path from the piedmont to the Southern Alluvial Plain, where dedolomitization is responsible for the observed changes in the chemical and carbon isotope composition in these waters.

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Resumen Un modelo hidrogeoquímico regional fue desarrollado, para evaluar la evolución geoquímica de diferentes aguas subterráneas en un sistema acuífero aluvial ubicado en el interior de Omán. El modelo, en combinación con isótopos ambientales, es capaz de obtener información cualitativa y cuantitativa sobre recarga, direcciones de flujo de agua subterránea y sobre las conexiones hidráulicas entre diferentes acuíferos. La fuente principal de agua para el acuífero aluvial en el piedemonte son las aguas subterráneas, a lo largo de las direcciones de flujo del Wadi Abyadh y del Wadi Muaydin, desde las áreas de gran altura de Jabal Akhdar y como infiltración local a lo largo de los canales del wadi. En contraste, el acuífero aluvial del piedemonte a lo largo del Wadi Halfayn, esta alimentado principalmente por recarga lateral desde las partes bajas de las montañas de ofiolitas hacia el Este, además por pequeñas contribuciones desde el Jabal Akhdar e infiltración local. Siguiendo gradiente abajo en el acuífero de la Llanura Aluvial del Sur, allí tanto la infiltración directa de lluvia, como la escorrentía superficial constituyen fuentes significativas de recarga, las cuales se originan en una fuente de humedad que llega a Omán proveniente del Sur. El modelo muestra, que la evolución geoquímica principal de las aguas subterráneas en el aluvión, sucede a lo largo de la dirección de flujo, que va desde el piedemonte hacia la Llanura Aluvial Sur, en donde el proceso de des-dolomitización es el responsable de los cambios observados en la composición química y también del contenido de isótopos de carbono en estas aguas.

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Résumé On a développé un modèle régional hydrogéochimique pour évaluer lévolution géochimique des différentes eaux souterraines dans le système aquifère de lintérieur dOman. Avec la contribution des isotopes denvironnement, le modèle est capable de fournir des informations qualitatives et quantitatives sur la recharge, les directions découlement et sur les connections hydrauliques entre les différents aquifères du système. La source principale pour laquifère situé au long de la direction découlement des oueds de Abdyah et de Muaydin dans le piémont est leau souterraine provenant des zones de haute altitude de Jabal Akhbar ainsi que linfiltration locale au long des canaux de loued. Par contre, à part dune petite contribution provenant des infiltrations locaux et de Jabal Akhbar, l aquifère alluvial de Wadi Halfayan est en principal alimenté par la recharge latérale provenant des ophiolites situées dans la partie est. Les plus importantes sources de recharge dans laval de laquifère de la Plaine Alluviale sont linfiltration directe et le ruissellement provenant dune source dhumidité qui sapproche dOman par le sud. Le modèle montre que la principale évolution géochimique se produise au long de la direction découlement qui part de piémont de la Plaine Alluviale du Sud, où le procès de dédolomisation est responsable pour les changements observés dans la composition géochimique et en carbone des eaux.

     

Geochemical evolution of groundwater in the Maneadero coastal aquifer during a dry year in Baja California, Mexico

Water pumped from 25 shallow wells (<31 m) in the Maneadero unconfined coastal aquifer was studied geochemically in order to determine the short-term compositional variability of the aquifer due to seawater intrusion during a drier than normal year (Fall 2001 to Fall 2002). The groundwater was commonly found to be mixed with seawater, with TDS concentrations in November 2002 ranging from 0.99 to 9.46 g l^–1, having an intermediate Na⁺Cl^– to Ca²⁺Cl^– water-type. Rapid recharge events of short duration, after low and short rainfall events during the study period, are suggested from short-term fluctuations in water quality. Seawater intrusion is progressing faster in the central and southern coastal sections of the aquifer and has recently affected the quality of the sites pumping water to the nearby city of Ensenada. Only one of the wells used for the Ensenada water supply had a TDS concentration lower than the 1.0 g l^–1 official limit. Low flow rates and high residence times of water are inferred to be the cause for high alkalinity in the east-central section of the aquifer. High NO₃ in the east-central aquifer indicates that any NO₃ infiltration due to fertilizer use was only slightly dispersed. After a short rainfall season during winter 2001, a significant decrease was seen for the previously most enriched site. However, concentrations above the 10 mg l^–1 official limit persisted in 2002, affecting one well for urban supply (15.9 mg l^–1). The water from this well is nevertheless mixed with better-quality water from other wells before being distributed through the citys piping system.

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Resumen Se estudió la geoquímica de aguas bombeadas por medio de 25 pozos no muy profundos (<31 m) en el acuifero costero no confinado de Maneadero con el objetivo de determinar la variación de la composición en el corto plazo en el acuifero por la intrusión de agua de mar durante un año más seco de lo normal (otoño 2001 a otoño 2002). Se observó que comúnmente las aguas subterráneas estaban mezcladas con agua de mar, con concentraciones de sólidos totales disveltos (STD) de entre 0.99--9.46 g l^–1 y un tipo de agua intermedia Na⁺Cl^– to Ca²⁺Cl^–. A partir de las fluctuaciones en la calidad del agua en el corto plazo se puede inferir que se dan eventos de recarga rápida de poca duración después de eventos de poca lluvia de poca duración y poco volumen durante el periodo de estudio. La intrusión de agua de mar está progresando más rápido en el centro y sur del acuifero costero y ha afectado recientemente la calidad de los sitios de bombeo de agua para la ciudad de Ensenada. Solamente uno de los pozos usados para el abastamiento de Ensenada tiene un STD por debajo del límite oficial de 1.0 g l^–1. Se presume que las razones lentas de flujo y los tiempos de residencia largos del agua son la causa de la alta alcalinidad en el centro-este del acuifero. Una concentración alta de NO₃ en el este-centro del acuifero indica que cualquier infiltración de NO₃ por aplicación de fertilizantes ha sido poco dispersad. Después de poca lluvia en el invierno de 2001, se observó una disminución importante en la zona previamente más enriquecida. Sin embargo, concentraciones sobre el límite oficial de 10 mg l^–1 continuaron en 2002, afectando a un pozo para suministro de agua urbana (15.9 mg l^–1). El agua extraída de este pozo es mezclada con agua de mejor calidad y se distribuye por el sistema urbano de suministro de agua.

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Résumé Leau de pompage de 25 puits peu profonds (<31 m) situés dans laquifère côtier non-confiné de Maneadero a été étudiée dans le but de déterminer la variation géochimique à court terme qui résulte de lintrusion deau de mer lors dune année plus sèche quà lhabitude (automne 2001 à automne 2002). Leau souterraine est souvent retrouvée mélangée avec de leau de mer, avec des concentrations en résidus solides dissous (RSD) qui sétalent entre 0.99 et 9.46 g l^–1 pour novembre 2002, avec un type intermédiaire en Na⁺Cl^– jusquà Ca²⁺Cl^–. Les processus suggérés pour les fluctuations rapides de la qualité de leau sont des événements de recharge de courte duré suite à de faibles et brèves périodes de précipitations. Lintrusion deau de mer progresse plus rapidement dans les parties centrales et sud de laquifère côtier où la qualité de leau pompée vers la ville de Ensenada a récemment été affectée. Un seul des puits utilisés par la ville de Ensenada pour lapprovisionnement en eau potable a une concentration en RSD sous la limite officielle permise de 1.0 g l^–1. Le temps de résidence élevé et le faible taux découlement de leau souterraine sont présumés être la cause de lalcalinité élevée dans la partie centrale-est de laquifère. La concentration élevée en NO₃ dans cette partie de laquifère indique que la totalité de linfiltration de NO₃ dû à lutilisation de fertilisants ne sest que très peu dispersée. Suite à une courte saison des pluies à lhiver 2001, une diminution substantielle a été notée au site qui était le plus enrichi avant la saison des pluies. Malgré tout, des concentrations dépassant la limite officielle permise de 10 mg l^–1 ont persisté, affectant un puits utilisé pour lapprovisionnement urbain (15.9 mg l^–1). Leau provenant de ce puits est toutefois mélangée avec de leau de meilleure qualité provenant dautres puits avant dêtre distribuée par laqueduc municipal.

     

The origin of increased salinity in the Cambrian-Vendian aquifer system on the Kopli Peninsula,northern Estonia

Monitoring of the confined Cambrian-Vendian aquifer system utilised for industrial water supply at Kopli Peninsula in Tallinn over 24 years reveals remarkable changes in chemical composition of groundwater. A relatively fast 1.5 to 3.0-fold increase in TDS and in concentrations of major ions in abstracted groundwater is the consequence of heavy pumping. The main sources of dissolved load in Cambrian-Vendian groundwater are the leaching of host rock and the other geochemical processes that occur in the saturated zone. Underlying crystalline basement, which comprises saline groundwater in its upper weathered and fissured portion, and which is hydraulically connected with the overlying Cambrian-Vendian aquifer system, is the second important source of ions. The fractured basement and its clayey weathering crust host the Ca-Cl type groundwater, which is characterised by high TDS values (2–20 g/L). Intensive water abstraction accelerates the exchange of groundwaters and increases the area of influence of pumping. Chemical and isotopic studies of groundwater indicate an increasing contribution of old brackish water from the crystalline basement and rule out the potential implication of an intrusion of seawater into aquifer.

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Resumen El origen del incremento en salinidad en un sistema de acuíferos Cámbrico-Vendiano en la Península Kopli, norte de EstonieMonitoreo a largo plazo de un sistema de acuíferos confinados, de edad Cámbrico-Vendiano, que se utiliza como fuente de abastecimiento industrial en la Península Kopli, al norte de Estonie, revela cambios notables en la composición química del agua subterránea. Un incremento de 1.5 a 3 veces en TDS y en concentraciones de iones mayores en agua subterránea explotada ha sido ocasionado por bombeo fuerte. Las fuentes principales de carga disuelta en el agua subterránea Cámbrico-Vendiano son la lixiviación de la roca encajonante y los procesos geoquímicos que ocurren en la zona saturada. Basamento cristalino subyacente, que aloja agua subterránea salada en la parte superior intemperizada y fisurada, y está conectado hidráulicamente con el sistema acuífero Cámbrico-Vendiano sobreyacente, es la segunda fuente importante de iones. El basamento fracturado y su corteza de intemperismo arcillosa alojan agua subterránea de tipo Ca-Cl la cual se caracteriza por valores altos de TDS (2–20 g/l). Debido a extracción intensiva se ha acelerado el intercambio de agua subterránea y se ha incrementado el área de influencia del bombeo. Los estudios químicos e isotópicos de agua subterránea indican una contribución creciente por filtración derivada del basamento cristalino. Es evidente una intrusión de agua salada hacia el sistema de acuíferos con implicaciones subsecuentes para la calidad del agua.

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Résumé Lorigine de la salinité croissante dans le système aquifère du Cambrien-Vendien dans la péninsule de Kopli, nord de lEstonieLe suivi à long terme du système aquifère captif du Cambrien-Vendien utilisé pour lapprovisionnement deaux industrielles dans la Péninsule de Kopli, nord de lEstonie, révèle de remarquables changements dans la composition chimique des eaux souterraines. Une augmentation de facteur 1.5 à 3 de la TDS et des concentrations en ions majeurs dans leau souterraine est la conséquence de pompages intensifs. Les sources principales des charges dissoutes dans les eaux de laquifère du Cambrien-Vendien sont le lessivage des roches et dautres phénomènes géochimiques ayant lieu dans la zone saturée. Le soubassement rocheux cristallin, qui renferme des eaux souterraines salines dans sa partie supérieure altérée et fissurée, et est hydrauliquement connecté avec laquifère supérieur du Cambrien-Vendien, est la deuxième importante source dions. Le soubassement fracturé et le matériel argileux de laltération, renferme leau souterraine de type Ca-Cl, caractérisée par un haut TDS (2–20 g/l). A cause de la mobilisation intensive de leau les échanges deau souterraine est sont accélérés et la zone dinfluence des pompages augmentent. Les études chimiques et isotopiques indiquent une contribution croissante du drainage des eaux du soubassement cristallin. Lintrusion deaux salées de la mer dans le système aquifère nest pas un phénomène évident.

     

A new technique to estimate net groundwater use across large irrigated areas by combining remote sensing and water balance approaches, Rechna Doab, Pakistan

Over-exploitation of groundwater resources threatens the future of irrigated agriculture, especially in the arid and semi-arid regions of the world. In order to reverse this trend, and to ensure future food security, the achievement of sustainable groundwater use is ranking high on the agenda of water policy makers. Spatio-temporally distributed information on net groundwater use—i.e. the difference between tubewell withdrawals for irrigation and net recharge—is often unknown at the river basin scale. Conventionally, groundwater use is estimated from tubewell inventories or phreatic surface fluctuations. There are shortcomings related to the application of these approaches. An alternative methodology for computing the various water balance components of the unsaturated zone by using geo-information techniques is provided in this paper. With this approach, groundwater recharge will not be quantified explicitly, but is part of net groundwater use, and the spatial variation can be quantitatively described. Records of routine climatic data, canal discharges at major offtakes, phreatic surface depth fluctuations, and simplified information on soil textural properties are required as input data into this new Geographic Information System and Remote Sensing tool. The Rechna Doab region (approximately 2.97 million ha), located in the Indus basin irrigation system of Pakistan, has been used as a case study. On an annual basis, an areal average net groundwater use of 82 mm year^–1 was estimated. The current result deviates 65% from the specific yield method. The deviation from estimates using tubewell withdrawal related data is even higher.

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Resumen La sobre-explotación de recursos de agua subterránea amenaza el futuro de la agricultura de riego, especialmente en las regiones áridas y semi-áridas del mundo. Para revertir esta tendencia, y para garantizar seguridad alimentaria futura, la meta del uso sostenible del agua subterránea se encuentra alto en la agenda de los políticos. Información espacial y temporal en cuanto al uso neto de agua subterránea- i.e. la diferencia entre las extracciones de agua de pozos entubados para riego y recarga neta- se desconoce frecuentemente a la escala de cuenca hidrográfica. Generalmente, el uso de agua subterránea se estima a partir de inventarios de pozos o fluctuaciones de superficies freáticas. Existen deficiencias en relación con las aplicaciones de estos enfoques. En este artículo se aporta una metodología alternativa para calcular los diferentes componentes del balance hídrico de la zona no saturada utilizando técnicas geoinformativas. Aunque con este enfoque no se cuantifica de manera explícita la recarga de agua subterránea, la cual es parte del uso neto de agua subterránea, puede describirse cuantitativamente la variación espacial. Para esta nueva herramienta de Sistemas de Información Geográfica y Sensores Remotos se requieren datos de entrada como registros rutinarios de datos climáticos, descargas de canales en salidas principales, fluctuaciones de profundidades de superficies freáticas, e información simplificada de las propiedades texturales de los suelos. Se ha utilizado como estudio de caso la región Rechna Doab (aproximadamente 2.97 millones ha), localizada en el sistema de riego de la cuenca Indus de Pakistán. Se ha estimado un uso promedio areal anual de agua subterránea de 82 mm año^–1. El resultado obtenido difiere en un 65% del método de productividad específica. La diferencia en relación a estimados provenientes de extracciones en pozos entubados es aún mucho más alta.

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Résumé La surexploitation des ressources en eau souterraine menace le futur de lagriculture irrigué, spécialement dans les zones arides et semi-arides du monde. De manière à renverser la tendance, et dassurer la sécurité alimentaire, lutilisation durable des eaux souterraines est devenue une priorité dans lagenda des politiques de leau. La distribution spatio-temporelle de lusage net de leau souterraine (la différence entre l ‹eau pompée et la recharge nette) est rarement connue à léchelle dun bassin versant. Conventionnellement, lutilisation des eaux souterraines est estimée à partir des données de rabattement ou les données de fluctuation du niveau de la nappe phréatique. Il y a des défauts dans ces approches. Une méthodologie alternative pour calculer les différents composants de la balance hydrologique est présentée dans cet article. Avec cette approche, la recharge des eaux souterraines ne sera pas quantifiée de manière explicite, mais sera considérée comme une part de lutilisation nette en eau souterraine, et la variation spatiale peut être décrite quantitativement. Les chroniques des données climatiques, les débits du réseau hydrographique majeur, les fluctuations de la surface de la nappe phréatique, et des données basiques sur la texture du sol sont nécessaires et sont rentrées dans un nouveau Système dInformation Géographique et outil de télédétection. La région de Rechna Doab au Pakistan, environ 2.97 millions dhectare, localisée dans le bassin irrigué de lIndus, a été utilisé comme cas détude. Sur base annuelle, lutilisation nette de leau souterraine est estimée à 82 mm. en moyenne. Le résultat obtenu diffère de 65% du résultat de la méthode du débit spécifique. La différence avec le résultat obtenu en observant le rabattement des puits est encore plus élevée.

     

Significance of enhanced infiltration due to groundwater extraction on the disappearance of a headwater lagoon system: Toluca Basin, Mexico

Mexico City relies significantly on groundwater resources drawn from the Sistema Lerma well field located in the Toluca Basin, Mexico. Enhanced infiltration caused by groundwater extraction is suspected to be both a prime factor in the disappearance of a lagoon system at the Toluca Basin and a potential risk to long-term groundwater quality. A combined approach of field investigation and numerical modeling was adopted to assess the groundwater-surface water interactions within the lagoon system. Potentiometric data indicate that current downward vertical hydraulic gradients below the lagoon and surrounding wetland area are extremely low suggesting very slow infiltration rates. Geochemical and isotope data from surface water and groundwater sampling also indicate that very little surface water infiltration has occurred. Numerical simulations demonstrate that enhanced surface water infiltration is unlikely to be the primary cause in the significant reduction in size of the lagoon system. Other factors such as modifications to the surface water drainage system and capture of spring flow from the surrounding mountainous regions are likely more significant. Simulations also suggest that contaminants originating in the lagoon system are currently entering nearby production wells although the total contaminant mass flux to the wells is still very low and significantly diluted.

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Resumen La Ciudad de México depende significativamente de los recursos de aguas subterráneas obtenidos del campo de pozos Sistema Lerma ubicado en la Cuenca Toluca, oeste de la Cuenca de México. Se sospecha que la infiltración estimulada causada por extracción intensiva de aguas subterráneas es un factor principal en la desaparición de un sistema de lagunas en la cabeceras del Río Lerma en el centro de México y un riesgo potencial para la calidad de aguas subterráneas a largo plazo en la región. Se adoptó un enfoque combinado de investigación de campo y modelizado numérico para evaluar las interacciones de agua superficial-agua subterránea dentro del sistema de lagunas. Datos potenciométricos indican que los gradientes hidráulicos verticales descendentes actuales, ubicados por debajo de la laguna y vecina área de humedales, son extremadamente bajos sugiriendo ritmos de infiltración muy lentos. Datos geoquímicos e isotópicos provenientes del muestreo de agua superficial y subterránea también indican que ha ocurrido muy poca infiltración de agua superficial. Las simulaciones numéricas demuestran cuantitativamente que no es probable que la infiltración estimulada de agua superficial sea la causa principal en la reducción significativa del tamaño del sistema de lagunas en la cabecera. Otros factores tal como modificaciones al sistema superficial de drenaje de agua y captura de flujo de manantial en las regiones montañosas vecinas son probablemente más significativos. Las simulaciones también sugieren que los contaminantes que se originan en el sistema de lagunas están actualmente ingresando a pozos de producción cercanos aunque el flujo de masa contaminante total a los pozos es aún muy bajo y diluido significativamente en los volúmenes grandes de extracción. La magnitud de la amenaza a largo plazo a la calidad del agua subterránea en los pozos de producción Sistema Lerma proveniente de contaminantes infiltrados es una preocupación y amerita estudios futuros.

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Résumé La Cité de Mexico dépend significativement des ressources en eau souterraine pompées au site de captages de Sistema Lerma, dans le Bassin de Toluca, à lOuest du Bassin de Mexico. Laugmentation de linfiltration, causée par lextraction extensive des eaux souterraines, est suspectée dêtre à la fois un facteur primaire de la disparition dun système de lagons en amont de la rivière Lerma au centre de Mexico, et un risque potentiel à long-terme pour la qualité de leau souterraine dans la région. Uen approche combinée détudes de terrain et de modélisation numérique a été adoptée pour estimer les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines, au sein du système de lagons. Les données potentiométriques indiquent que les gradients hydrauliques verticaux descendants sont très bas au niveau des lagons, ce qui suppose un taux dinfiltration faible. Les données géochimiques et isotopiques provenant des eaux de surface et souterraines, indiquent également que peu deau de surface sinfiltrent. La simulation numérique démontre quantitativement que laugmentation de linfiltration des eaux de surface nest probablement pas la première cause de réduction des lagons. Dautres facteurs, tels que les modifications du drainage des eaux de surface, laménagement en captage des sources situées aux pieds des montagnes environnantes, sont probablement plus importants. Les simulations suggèrent également que les contaminants provenant des lagons se retrouvent également dans les captages les plus proches, bien que le flux total de contaminants entrant dans les captages reste faible. Les volumes dextraction étant très important ils diluent effectivement les contaminants. Les effets à long-terme de lextraction critique au niveau des forages de Sistema Lerma et de la dégradation de la qualité des eaux souterraines par les contaminants, nécessite une grande attention pour le futur.

     

Natural tracers in recent groundwaters from different Alpine aquifers

Groundwater with underground residence times between days and a few years have been investigated over more than 20 years from 487 remote sites located in different aquifer types in the Alpine belt. Analysis of the data reveals that groundwaters evolved in crystalline, evaporite, carbonate, molasse, and flysch aquifers can be clearly distinguished based on their major and trace element composition and degree of mineralisation. A further subdivision can be made even within one aquifer type based on the trace element compositions, which are characteristic for the lithologic environment. Major and trace element concentrations can be quantitatively described by interaction of the groundwater with the aquifer-specific mineralogy along the flow path. Because all investigated sites show minimal anthropogenic influences, the observed concentration ranges represent the natural background concentrations and can thus serve as a geo-reference for recent groundwaters from these five aquifer types. This geo-reference is particularly useful for the identification of groundwater contamination. It further shows that drinking water standards can be grossly exceeded for critical elements by purely natural processes.

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Resumen Durnate más de 20 años se ha investigado aguas subterráneas con una residencia subterránea con una duración de días a varios años en 487 puntos remotos localizados en diferentes tipos de acuíferos en la cadena alpina. El análisis de los datos revela que las aguas subterráneas que han evolucionado dentro de acuíferos cristalinos, evaporíticos, carbonatos, flysch, y molasse se pueden distignuir claramente en base a la composición de sus elementos mayores y marcadores y al grado de minerlización. Asimismo es posible hacer una subdivisión más específica incluso dentro de un tipo de acuífero en base a las composiciones de los elementos marcadores los cuales soncaracterísticos del ambiente litológico. Las concentraciones de los elementos marcadores se pueden describir cuantitativamente por la interacción de las aguas subterráneas con la mineralogía específica del acuífero a lo largo del trayecto del flujo. Puesto qze todos los puntos investigados muestran mínimas influencias antropogénicas, los rangos deconcentraciones observados representan las concentraciones delescenario natural y, por tanto, pueden servir como georeferencia para aguas subterráneas recientes que forman parte de estos cinco tipos de acuíferos. Esta georeferencia es particularmente útil para la identificcación de contaminación de aguas subterráneas. Asimismo muestra que los estándares de agua potable pueden mostrar excesos en elementos críticos por procesos puramente naturales.

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Résumé Leau souterraine ayant résidé sous la surface du sol entre quelques jours et quelques années a été étudiée sur une période de plus de 20 ans à partir de 487 sites éloignés situés dans différents types daquifères de la ceinture alpine. Lanalyse des données révèle que leau qui a évoluée dans des aquifères cristallins, évaporitiques, carbonatés, molassiques et composés de flysch, peut être facilement différenciée sur la base de sa composition en éléments majeurs et traces, ainsi que par son degré de minéralisation. Une subdivision supplémentaire peut être apportée à lintérieur même dun type daquifère en se basant sur la composition des éléments traces, lesquels sont caractéristiques de lenvironnement lithologique. La concentration en éléments majeurs et traces peut être expliquée quantitativement par linteraction de leau souterraine avec la composition minéralogique spécifique de laquifère le long des lignes découlement. Puisque la majorité des sites étudiés ne montrent que très peu dinfluences anthropogéniques, le registre de concentrations observées représente la concentration de fond naturelle et peut ainsi servir comme géo-référence pour les eaux souterraines récentes dans ces cinq types daquifères. Ces géo-références sont particulièrement utiles pour lidentification de la contamination des eaux souterraines. Par ailleurs, cela démontre que les standards deau potable peuvent être excédés pour certains éléments en raison de processus purement naturels.

     

Nitrate pollution from agriculture in different hydrogeological zones of the regional groundwater flow system in the North China Plain

A survey of the quality of groundwater across a broad area of the North China Plain, undertaken in 1998 to 2000, indicates that nitrate pollution is a serious problem affecting the drinking water for a vast population. The use of nitrogen (N)-fertilizer in agriculture has greatly increased over the past 20 years to meet the food needs of the rapidly expanding population. During the study, 295 water samples were collected from wells and springs to determine the water chemistry and the extent of nitrate pollution. High concentrations of nitrate, especially in a recharge area along the western side, but also in the vicinity of Beijing and locally in other parts of the plain, pose a serious problem for the drinking water supply. In places, the nitrate concentration exceeds the maximum for safe drinking water of 45 mg/L. The intense use of N-fertilizer and the widespread use of untreated groundwater for crop irrigation contribute greatly to the problem, but no doubt the disposal of industrial and municipal waste into streams and infiltrating the aquifer also contribute to the problem; however, the lack of data prevents evaluation of those sources. In the recharge area, nitrate is found at depths of as much as 50 m. Near Beijing, relatively high concentrations of nitrate occur at depths of as much as 80 m. In the discharge area, in the vicinity of the Yellow River, high concentrations of nitrate occur at depths of <8 m.

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Electronic Supplementary Material Supplementary Material is available in the online version of this article at

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Resumen Contaminacíon de nitratos a causa de prácticas agrícolas en diferentes zonas hidrogeológicas del sistema de flujo regional de aguas subterráneas en la planice del norte de China. Un estudio de la calidad del agua subterránea en una zona amplia de la planice del norte de China se llevó a cabo entre 1998 y el año 2000. Este estudio indica que la contaminación de nitratos es un problema grave que afecta el agua potable de una vasta población. El uso de fertilizantes a base de nitratos en la agricultura ha aumentado considerablemente durante los últimos 20 años para satisfacer las necesidades alimentices de la creciente población. Durante el estudio, se tomaron 295 muestras de pozos de agua y manantiales para determinar la química de las aguas y el grado de contaminación por nitratos. Altas concentraciones de nitratos, especialmente en una zona de recarga a lo largo del lado oeste, asì como en la cercanía a Pekín y en zonas locales en otras partes de la planicie, presentan un problema serio al sumunistro de agua potable. En ciertos lugares, la concentracióon de nitratos excede el nivel máximo de seguridad para el agua potable 45 mg NO₃/L. El intenso uso de fertilizantes de nitratos y el abundante uso de agua subterránea sin tratamiento para la irrigación de cultivos contribuyen sustancialmente al problema. Sin embargo, sin lugar a dudas, la descarga de deshechos industriales y municipales en arroyos y en el acuífero también contribuyen al problema. La falta de datos impide la evalución de dichas fuentes. En la zona de recarga se encuentran nitratos hasta los 50 m de profundidad. Cerca a Pekín, concentraciones relativamente altas de nitrato ocurren hasta los 80 m de profunidad. En las zonas de descarga afectadas por el Río Amarillo las concentraciones altas de nitrato se encuentran solamente a menos de 8m de profundidad.

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Resumé Une campagne dévaluation de la qualité de leau souterraine entreprise entre 1998 et 2000 à travers une vaste étendue de la plaine du nord en Chine indique que la pollution par les nitrates est un problème sérieux qui affecte la qualité de leau souterraine pour une abondante population. Lutilisation de fertilisants azotés pour lagriculture a augmenté considérablement durant les 20 dernières années afin de rencontrer les besoins alimentaires dune population à forte croissance. Lors de cette étude, 295 échantillons deau ont été prélevés dans des puits et sources naturelles afin de déterminer la composition chimique de leau souterraine ainsi que létendue de la pollution par les nitrates. Des concentrations élevées de nitrates, en particulier dans une zone de recharge le long de la limite ouest de la plaine, mais aussi dans la région de Beijing et sporadiquement dans la plaine, posent de sérieux problèmes à la consommation de leau souterraine. A certains endroits, la concentration en nitrates excède la valeur maximale acceptée pour la consommation qui est de 45 mg NO₃/L. Lutilisation intensive de fertilisants azotés ainsi que lutilisation répandue deau souterraine non traitée pour lirrigation contribuent pour beaucoup au problème, mais il ne fait pas de doute que le rejet des déchets municipaux et industriels dans les rivières et aquifères y est aussi pour quelque chose. Par contre, le manque de donnés ne permet pas dévaluer la contribution de chacune de ces sources. Dans la zone de recharge, les nitrates se retrouvent à des profondeurs allant jusquà 50 m. Près de Beijing, des concentrations relativement élevées de nitrate ont été mesurées à des profondeurs allant jusquà 80 m. Enfin, dans la zone démergence affectée par la rivière Jaune, les fortes concentrations se retrouvent à une profondeur maximale de 8 m.