Assessing the extent of induced leakage to an urban aquifer using environmental tracers: an example from Bishkek, capital of Kyrgyzstan, Central Asia

A groundwater residence time study of the deep fluvioglacial aquifer supplying Bishkek, capital of Kyrgyzstan, has found evidence of deep infiltration of recent recharge both in the main periurban wellfield and below the city. Commonly-employed hydrochemical markers detected urban influence in the city-centre to depths of 65–100 m, but gave no indication of the important role of induced river/canal bed leakage, either upgradient in the periurban wellfield or within the city. This was revealed by O and H stable isotope measurements, which showed that local rainfall/snowfall play little part in the aquifer water balance. More remarkably, the universal detection of CFCs and SF₆, including in boreholes with 140–220 m deep upper screens, demonstrated that induced leakage of water just a few decades old had penetrated much deeper into the aquifer system than other hydrochemical markers indicated. A two-dimensional flow model set up to test whether such deep pumping-induced leakage could occur below the periurban wellfield confirmed its feasibility. The results imply vertical infiltration rates of 5–10 m/year and demonstrate that in this not-uncommon intergranular aquifer setting, deep boreholes with deep screen settings do not necessarily abstract old water. Hence, there are major implications for urban groundwater management and protection in such settings.

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Resumen Un estudio sobre el tiempo de residencia del agua subterránea, en un acuífero fluvioglacial profundo que abastece a Bishkek, capital de Kyrgyzstan, ha encontrado evidencias de infiltración profunda a partir de recarga reciente, tanto en el campo de pozos de las afueras de la ciudad, como también por debajo de la ciudad. Los indicadores hidroquímicos comúnmente usados, detectaron influencia urbana en el centro de la ciudad hasta profundidades de 65–100 m, pero no dieron indicación del papel importante del goteo inducido en el lecho del canal/río, tanto aguas arriba en el campo de pozos de los suburbios, como también dentro de la ciudad. Esto se reveló mediante mediciones de isótopos estables de O y H, las cuales mostraron que las precipitaciones/nevadas de tipo local, tienen una pequeña contribución en el balance de agua del acuífero. De manera más notoria, la detección universal de CFCs y SF6, incluidos en las rejillas superiores de pozos profundos con 140–220 m de profundidad, demostraron que un goteo inducido de agua, de solo unas pocas décadas de antigüedad, ha penetrado mucho más profundo dentro del sistema acuífero, de lo que los otros marcadores hidroquímicos indicaban. Un modelo bidimensional de flujo, realizado para probar si el goteo inducido—bombeo profundo podía suceder debajo del campo de pozos suburbano, confirmó su factibilidad. Los resultados implican tasas de infiltración vertical de 5 a 10 m/año, y demuestran que los pozos profundos con tramos de rejilla también profundos, no necesariamente extraen aguas antiguas, en estos ambientes acuíferos con porosidad intergranular. Por lo tanto, hay implicaciones importantes para la gestión y protección en zonas urbanas, y para esos ambientes de las aguas subterráneas.

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Résumé Lanalyse du temps de résidence des eaux souterraines dans un aquifère fluvial profond, dorigine glaciaire, qui alimente en eau Bishek, la capitale de Kyrgyzstan a mis en évidence une recharge récente tant dans le captage en eau que sous la ville même. Les traceurs chimiques ont indiqué linfluence urbaine dans le centre de la ville, à une profondeur de 65–100 m, mais ils nont pas mis en évidence le rôle important de lalimentation induite par la couche du fleuve, tant en amont, dans le captage que en aval, dans la ville. Ces effets ont été relevés par des isotopes stables, comme O et h qui ont montré linfluence récente des précipitations dans le bilan hydrique de laquifère. De plus, la détection universelle de CFC et de SF6, y compris dans les forages ayant une profondeur de 140–220 m, montre que lalimentation en eau induite de plusieurs décennies a pénétré à des profondeurs plus grandes que celles indiqués par des traceurs chimiques. Les possibilités dune drainance verticale induite par les pompages dans le puits profonds du captage ont été vérifiées par un modèle bidimensionnel découlement. Les résultats de la modélisation ont conduit à une infiltration verticale de 5–10 m/an et ont démontré aussi que leau extraite par des puits profonds dans un aquifère granulaire nest pas nécessairement dage ancienne. Il sagit donc des implications majeures concernant la gestion et la protection des captages urbaines en eaux souterraines