Mapping groundwater renewability using age data in the Baiyang alluvial fan, NW China

Abstract

Groundwater age has been used to map renewability of water resources within four groups: strong, partial, and rare renewability, and non-renewable. The Baiyang alluvial fan in NW China is a representative area for examining groundwater recharge from river infiltration and for mapping groundwater renewability, and it has been investigated using multiple isotopes and water chemistry. Systematic sampling included 52 samples for ²H and ¹⁸O analysis and 32 samples for ³H, ¹³C and ¹⁴C analysis. The δ¹³C compositions remain nearly constant throughout the basin (median −12.7‰) and indicate that carbonate dissolution does not alter ¹⁴C age. The initial ¹⁴C activity of 80 pmC, obtained by plotting ³H and ¹⁴C activity, was used to correct groundwater ¹⁴C age. The results show that areas closer to the river consist of younger groundwater ages; this suggests that river infiltration is the main recharge source to the shallow groundwater system. However, at distances far away from the river, groundwater ages become older, i.e., from modern water (less than 60 year) to pre-modern water (from 60 to 1,000 years) and paleowater (more than 1,000 yeas). The four classifications of groundwater renewability have been associated with different age ranges. The area of shallow groundwater with strong renewability accounts for 74% of the total study area. Because recharge condition (river infiltration) controls overall renewability, a groundwater renewability map is of significant importance to the management of groundwater exploitation of this area as well as other arid groundwater basins.

Résumé

L’âge des eaux souterraines a été utilisé pour cartographier le renouvellement des ressources en eau en quatre groupes: fort, partiel, renouvellement rare et non renouvelable. Le cône alluvial de Baiyang dans le NW de la Chine est un site représentatif pour étudier la recharge des eaux souterraines par infiltration d’eau de rivière et pour cartographier le renouvellement des eaux souterraines; il a été étudié en utilisant de multiples isotopes et la chimie de l’eau. Le prélèvement systématique a compris 52 échantillons pour l’analyse de ²H et ¹⁸O et 32 échantillons pour l’analyse d’³H, ¹³C et ¹⁴C. Les compositions en δ¹³C restent quasi constantes dans tout le bassin (médiane −12.7‰) et indiquent que la dissolution de carbonates n’altère pas l’âge ¹⁴C. L’activité ¹⁴C initiale de 80 pmC, obtenue en reportant sur un graphique le ³H et l’activité ¹⁴C, a été utilisée pour corriger l’âge ¹⁴C de l’eau souterraine. Les résultats montrent que les zones plus proches de la rivière montrent des âges d’eau souterraine plus jeunes; cela suggère que l’infiltration par la rivière est la principale source de recharge du système souterrain superficiel. Cependant, à grande distance de la rivière, les âges de l’eau souterraine deviennent plus anciens, depuis de l’eau moderne (moins de 60 ans), jusqu’à de l’eau pré-moderne (de 60 à 1,000 ans) et de la paléo-eau (plus de 1,000 ans). Les quatre classifications du renouvèlement de l’eau souterraine ont été associées aux différentes gammes d’âge. La zone d’eau souterraine superficielle avec un fort renouvèlement occupe 74% de la zone d’étude. Comme la condition de recharge (infiltration de la rivière) contrôle dans l’ensemble le renouvèlement, une carte de renouvèlement des eaux souterraines est importante pour la gestion de l’exploitation de l’eau souterraine dans cette région ainsi que dans d’autres bassins aquifères arides.

Resumen

La edad del agua subterránea se ha utilizado para mapear la renovabilidad de los recursos hídricos en cuatro grupos: renovabilidad fuerte, parcial y escasa, y no renovable. El abanico aluvial de Baiyang en el NW de China es un área representativa para examinar la recarga de agua subterránea a partir de la infiltración de los ríos y para cartografiar la renovación del agua subterránea, y se ha investigado utilizando múltiples isótopos y química del agua. El muestreo sistemático incluyó 52 muestras para análisis de ²H and ¹⁸O y 32 muestras para análisis ³H, ¹³C and ¹⁴C. Las composiciones de δ¹³C permanecen casi constantes en toda la cuenca (mediana −12.7‰) e indican que la disolución del carbonato no altera la edad del ¹⁴C. La actividad inicial de ¹⁴C de 80 pmC, obtenida trazando la actividad de ³H and ¹⁴C, se usó para corregir la edad del agua subterránea ¹⁴C. Los resultados muestran que las áreas más cercanas al río consisten en edades de agua subterránea más jóven; esto sugiere que la infiltración a partir del río es la principal fuente de recarga del sistema de agua subterránea poco profunda. Sin embargo, a distancias muy lejanas del río, las edades de las aguas subterráneas se hacen más viejas, es decir, desde agua moderna (menos de 60 años) hasta agua pre-moderna (de 60 a 1,000 años) y paleoaguas (más de 1,000 años). Las cuatro clasificaciones de la renovación del agua subterránea se han asociado con diferentes rangos de edad. El área de agua subterránea poco profunda con fuerte renovabilidad representa el 74% del área total en estudio. Debido a que la condición de recarga (infiltración desde los ríos) controla la renovación general, un mapa de renovabilidad del agua subterránea es de importancia significativa para el manejo de la explotación de agua subterránea de esta área, así como otras cuencas áridas.

摘要

本文利用地下水年龄数据来评价水资源的可更新能力,并将其分为四组:可更新能力强、具有一定的可更新能力、可更新能力差和不可更新。位于中国西北部的白杨河山前冲积扇,是一个检验河流入渗对地下水补给作用和绘制地下水可更新能力图的典型地区。本研究进行了多种环境示踪剂和水化学采样与研究,包括52组氢氧稳定同位素和32组氚、碳−13、碳14数据。地下水中无机碳的碳−13同位素在整个盆地内变化不大(中位数为−12.7‰),说明一旦确定碳−14的初始值,随后可不考虑碳酸盐的溶解与交换。通过绘制氚和碳−14浓度关系图,确定了地下水碳−14的初始浓度为80 pmC,用于地下水碳−14年龄校正。结果显示越靠近河流,地下水越年轻,表明了河流入渗对浅层地下水的显著补给作用。与此同时,越远离河流,浅层地下水年龄越老,从现代水(年龄小于60年),到次现代水(年龄介于60年和1,000年之间),再到老水(年龄大于1,000年)。地下水可更新能力的四种类型与不同的年龄相对应。浅层地下水可更新能力强的地区占到了评价区总面积的74%。因为补给条件(主要是河流入渗补给)基本上控制了地下水的可更新能力,因此地下水可更新能力图对于该地区及其他类似地区的地下水开发管理具有显著的重要性。

Resumo

Datação de águas subterrâneas tem sido utilizadas para mapear a renovação dos recursos hídricos em quatro grupos: renovação forte, parcial e rara, e não renovável. O leque aluvial de Baiyang no NO da China é uma área representativa para examinar a recarga das águas subterrâneas a partir da infiltração do rio e para mapear a renovação das águas subterrâneas, e tem sido investigada usando isótopos múltiplos e química das águas. Amostragens sistemáticas incluíram 52 amostras para análises de ²H e ¹⁸O e 32 amostras para análises de ³H, ¹³C e ¹⁴C. As composições de δ¹³C permanecem quase constantes ao longo da bacia (mediana −12.7‰) e indica que a dissolução de carbonato não altera a datação ¹⁴C. A atividade inicial do ¹⁴C de 80pmC, obtida pela plotagem da atividade do ³H e do ¹⁴C, foi usada para corrigir a datação das águas subterrâneas por ¹⁴C. Os resultados mostram que áreas próximas ao rio consistem em águas subterrâneas com idades mais jovens; sugerindo que a infiltração do rio é a principal fonte da recarga para o sistema de águas subterrâneas mais superficial. Entretanto, em distancias mais distantes do rio, as águas subterrâneas se tornam mais velhas, p. ex. de idades modernas (menos de 60 anos) a pré-modernas (de 60 a 1,000 anos) e paleoáguas (com mais de 1,000 anos). As quatro classificações da renovação das águas subterrâneas foram associadas com diferentes faixas de idade. A área de águas subterrâneas superficiais com forte renovação contabiliza 74% do total da área de estudo. Como a condição de recarga (infiltração do rio) controla a renovação geral, um mapa de renovação das águas subterrâneas é de significativa importância para gestão da explotação das águas subterrâneas dessa área como em outras bacias áridas de águas subterrâneas.