Multi-tracer investigation of river and groundwater interactions: a case study in Nalenggele River basin, northwest China

Abstract

Environmental tracers (such as major ions, stable and radiogenic isotopes, and heat) monitored in natural waters provide valuable information for understanding the processes of river–groundwater interactions in arid areas. An integrated framework is presented for interpreting multi-tracer data (major ions, stable isotopes (²H, ¹⁸O), the radioactive isotope ²²²Rn, and heat) for delineating the river–groundwater interactions in Nalenggele River basin, northwest China. Qualitative and quantitative analyses were undertaken to estimate the bidirectional water exchange associated with small-scale interactions between groundwater and surface water. Along the river stretch, groundwater and river water exchange readily. From the high mountain zone to the alluvial fan, groundwater discharge to the river is detected by tracer methods and end-member mixing models, but the river has also been identified as a losing river using discharge measurements, i.e. discharge is bidirectional. On the delta-front of the alluvial fan and in the alluvial plain, in the downstream area, the characteristics of total dissolved solids values, ²²²Rn concentrations and δ¹⁸O values in the surface water, and patterns derived from a heat-tracing method, indicate that groundwater discharges into the river. With the environmental tracers, the processes of river–groundwater interaction have been identified in detail for better understanding of overall hydrogeological processes and of the impacts on water allocation policies.

Résumé

Les traceurs environnementaux (comme les ions majeurs, les isotopes stables et radiogéniques et la température) mesurés dans les eaux naturelles donnent une information importante pour comprendre les processus d’interaction entre les rivières et les eaux souterraines dans les régions arides. Une approche intégrative est. présentée pour l’interprétation des données des divers traceurs (ions majeurs, isotopes stables (²H, ¹⁸O), isotope radioactif ²²²Rn et température) pour la définition des interactions entre rivières et nappes du bassin de la rivière Nalenggele au nord-ouest de la Chine. Des analyses qualitatives et quantitatives ont été réalisées pour estimer les échanges d’eau bidirectionnels associés aux interactions à petite échelle entre les eaux souterraines et les eaux de rivière. Le long de portions de rivière, les eaux souterraines et de surface échangent facilement. De la partie montagneuse la plus élevée aux cônes alluviaux, un flux des eaux souterraines vers la rivière est. détecté par plusieurs traceurs et par l’utilization des modèles par mélange de pôles, mais des pertes de la rivière ont été également identifiées par mesure de débits, indiquant ainsi un échange bidirectionnel. Sur le front du delta du cône alluvial et sur la plaine alluviale, en secteur aval, les caractéristiques des valeurs de solide total dissous, les concentrations en ²²²Rn et les valeurs de δ¹⁸O dans les eaux de surface, de même que le schéma dérivé de la méthode de traçage thermique, indiquent que les eaux souterraines fluent vers la rivière. Avec les traceurs environnementaux, les processus d’interaction nappe-rivière ont été identifiés en détail pour une meilleure compréhension des processus hydrogéologiques globaux et des impacts de la politique d’attribution de l’eau.

Resumen

Los trazadores ambientales (tales como iones mayoritarios, isótopos estables y radiogénicos y temperatura) monitoreados en aguas naturales proporcionan información valiosa para entender los procesos de interacción río–agua subterránea en áreas áridas. Se presenta un marco integrado para interpretar los datos de múltiples trazadores (iones mayoritarios, isótopos estables (²H, ¹⁸O), isótopo radiactivo ²²²Rn y temperatura) para delinear las interacciones río–agua subterránea en la cuenca del río Nalenggele, noroeste de China. Se realizaron análisis cualitativos y cuantitativos para estimar el intercambio bidireccional de agua asociado a interacciones en pequeña escala entre el agua subterránea y el agua superficial. A lo largo de un tramo del río, agua subterránea y agua superficial se intercambian con facilidad. A partir de la zona de alta montaña hasta el abanico aluvial, la descarga de agua subterránea al río se detecta mediante métodos de trazadores y modelos de mezcla de miembros finales, pero el río también se identifica como un río perdedor usando mediciones de descarga, es decir, que la descarga es bidireccional. En el área aguas abajo, en el frente del delta del abanico aluvial y en la llanura aluvial, las características de los valores totales de sólidos disueltos, las concentraciones de ²²²Rn y los valores de δ¹⁸O en el agua superficial y los patrones derivados de un método del trazador térmico indican que el agua subterránea descarga en el río. Se identificaron en detalle los procesos de interacción río–agua subterránea con los trazadores ambientales para una mejor comprensión de los procesos hidrogeológicos generales y de los impactos en las políticas de distribución del agua.

摘要

天然水体中监测到的环境示踪剂(如主要离子、稳定同位素和放射产生的同位素以及热量)为了解干旱地区的河流和地下水相互作用过程提供了宝贵的信息。本文展示了为描述中国西北那棱格勒河流域河流地下水相互作用而进行的解译多种示踪剂数据(主要离子、稳定同位素(²H, ¹⁸O)、放射产生的同位素²²²Rn及热量)的综合框架。进行了定性和定量分析以估算与地下水和地表水之间小规模相作用相关的双向水交换。沿着河流流域,地下水和河水很容易交换。通过示踪方法和端元混合模型探测 到,从高山带到冲积扇,地下水排泄到河流,但采用排泄测量发现,河流也被确定为渗失河,即排泄是双向的。在下游区冲积扇的三角洲前锋及在冲积平原,地表水中的总溶解固体、²²²Rn含量及δ¹⁸O值特征及根据热量示踪方法得出的模式表明,地下水排泄到河流。利用环境示踪剂,详细确定了河流地下水相互作用的过程,以便更好地了解整个水文地质过程及其对水分配政策的影响。

Resumo

Os traçadores ambientais (tais como íons principais, isótopos estáveis e radiogênicos e calor) monitorados em águas naturais fornecem informações valiosas para a compreensão dos processos de interações rio–águas subterrâneas em áreas áridas. Um arcabouço integrado é apresentado para a interpretação de dados de múltiplos traçadores (íons principais, isótopos estáveis (²H, ¹⁸O), o isótopo radioativo ²²²Rn e calor) para delinear as interações rio–água subterrânea na bacia do rio Nalenggele, no noroeste da China. Análises qualitativas e quantitativas foram realizadas para estimar a troca bidirecional de água associada a interações em pequena escala entre águas subterrâneas e águas superficiais. Ao longo do trecho do rio, água subterrânea e água do rio trocam prontamente. Da zona de alta montanha ao delta aluvial, a descarga de água subterrânea para o rio é detectada por métodos de traçadores e modelos de mistura de membro final, mas o rio também foi identificado como uma corrente de perda usando medições de descarga, isto é, a descarga é bidirecional. Na face frontal do delta aluvial e na planície aluvial, na área a jusante, as características dos valores totais de sólidos dissolvidos, concentrações de ²²²Rn e valores de δ¹⁸O na água de superfície e padrões derivados de um método de traçador térmico indicam que as águas subterrâneas descarregam no rio. Com os marcadores ambientais, os processos de interação rio–água subterrânea foram identificados em detalhes para melhor compreensão dos processos hidrogeológicos globais e dos impactos nas políticas de alocação de água.