Multi-scale nitrate transport in a sandstone aquifer system under intensive agriculture

Abstract

Nitrate transport in heterogeneous bedrock aquifers is influenced by mechanisms that operate at different spatial and temporal scales. To understand these mechanisms in a fractured sandstone aquifer with high porosity, a groundwater-flow and nitrate transport model—reproducing multiple hydraulic and chemical targets—was developed to explain the actual nitrate contamination observed in groundwater and surface water in a study area on Prince Edward Island, Canada. Simulations show that nitrate is leached to the aquifer year-round, with 61% coming from untransformed and transformed organic sources originating from fertilizers and manure. This nitrate reaches the more permeable shallow aquifer through fractures in weathered sandstone that represent only 1% of the total porosity (17%). Some of the nitrate reaches the underlying aquifer, which is less active in terms of groundwater flow, but most of it is drained to the main river. The river-water quality is controlled by the nitrate input from the shallow aquifer. Groundwater in the underlying aquifer, which has long residence times, is also largely influenced by the diffusion of nitrate in the porous sandstone matrix. Consequently, following a change of fertilizer application practices, water quality in domestic wells and the river would change rapidly due to the level of nitrate found in fractures, but a lag time of up to 20 years would be necessary to reach a steady level due to diffusion. This demonstrates the importance of understanding nitrate transport mechanisms when designing effective agricultural and water management plans to improve water quality.

Résumé

Le transport des nitrates dans les aquifères hétérogènes de substrat rocheux est. influencé par des mécanismes qui fonctionnent à différentes échelles spatiales et temporelles. Pour comprendre ces mécanismes dans un aquifère de grès fracturé avec une porosité élevée, un modèle de transport d’eau souterraine et de nitrate—reproduisant de multiples cibles chimiques et hydrauliques—a été développé pour expliquer la contamination actuelle en nitrates dans les eaux souterraines et les eaux de surface dans une zone d’étude sur l’île du Prince Edward au Canada. Les simulations montrent que le nitrate est. lixivié vers l’aquifère au cous de l’année, avec 61% provenant de sources organiques non transformées et transformées provenant d’engrais et de fumier. Ce nitrate atteint l’aquifère peu profond plus perméable par des fractures dans le grès altéré qui représente seulement 1% de la porosité totale (17%). Certains des nitrates atteignent l’aquifère sous-jacent, qui est. moins actif en termes d’écoulement d’eaux souterraines, mais la plupart sont drainées vers la rivière principale. La qualité de l’eau de la rivière est. contrôlée par l’apport en nitrate de l’aquifère peu profond. L’eau souterraine dans l’aquifère sous-jacent, qui est. caractérisée par un long temps de séjour, est. également largement influencée par la diffusion des nitrates dans la matrice poreuse du grès. Par conséquent, suite à un changement des pratiques d’application des engrais, la qualité de l’eau dans les puits domestiques et la rivière changerait rapidement en raison du niveau de nitrate trouvé dans les fractures, mais un délai de 20 ans serait nécessaire pour atteindre un niveau stable en raison de la diffusion. Cela démontre l’importance de la compréhension des mécanismes de transport des nitrates lors de la conception de plans efficaces de gestion de l’agriculture et de l’eau pour améliorer la qualité de l’eau.

Resumen

El transporte de nitratos en los acuíferos heterogéneos en la roca de base está influenciado por mecanismos que operan a diferentes escalas espaciales y temporales. Para entender estos mecanismos en un acuífero de arenisca fracturada con alta porosidad, se desarrolló un modelo de flujo de agua subterránea y nitrato—reproduciendo múltiples objetivos hidráulicos y químicos—para explicar la contaminación real de nitratos observada en el agua subterránea y superficial en un área de estudio en Prince Edward Isla, Canadá. Las simulaciones muestran que el nitrato es lixiviado al acuífero durante todo el año, y el 61% proviene de fuentes orgánicas no transformadas y transformadas procedentes de fertilizantes y estiércol. Este nitrato alcanza el acuífero superficial más permeable a través de las fracturas en una arenisca degradada que representan sólo el 1% de la porosidad total (17%). Algunos de los nitratos alcanzan el acuífero subyacente, que es menos activo en términos de flujo de agua subterránea, pero la mayor parte se drena al río principal. La calidad del agua del río es controlada por la entrada de nitrato desde el acuífero poco profundo. El agua subterránea en el acuífero subyacente, que tiene largos tiempos de residencia, también está fuertemente influenciada por la difusión de nitratos en la matriz porosa de arenisca. Por consiguiente, tras un cambio en las prácticas de aplicación de fertilizantes, la calidad del agua en los pozos domésticos y en el río cambiaría rápidamente debido al nivel de nitrato encontrado en las fracturas, pero sería necesario un tiempo de retardo de hasta 20 años para alcanzar un nivel estable debido a los procesos de difusión. Esto demuestra la importancia de comprender los mecanismos de transporte de nitratos al diseñar planes eficaces de manejo agrícola y de agua para mejorar la calidad del agua.

摘要

异质基岩含水层中的硝酸盐运移受到不同空间和时间尺度的机理影响。为了了解具有很高孔隙度的断裂砂岩含水层中的这些机理,建立了能够复制多重水力和化学目标的一个地下水流和硝酸盐运移模型,用来解释在加拿大Prince Edward岛上研究区地下水和地表水中观测到的实际硝酸盐污染。模拟结果显示,硝酸盐全年都在淋滤至含水层,其中61%为来自未转化和转化的有机源,而这些有机源来源于化肥和有机肥。此类硝酸盐通过只占总孔隙度(17%)1%的风化砂岩中的断裂达到较透水的浅层含水层。一些硝酸盐达到地下水流不太活跃的下伏含水层,但大部分硝酸盐被排到主要河流中。河水水质受到来自浅层含水层中硝酸盐流入量的控制。下伏含水层中的地下水具有很长的滞留时间,在很大程度上也受到多孔隙砂岩基质中硝酸盐扩散的影响。因此,改变使用化肥之后,根据断裂中观测的硝酸盐含量水平,发现家庭用水井和河流的水质会迅速变化,但由于扩散原因,需要长达20年滞后时间达到稳定水平。这说明在设计有效农业和水管理计划、提高水质时了解硝酸盐运移机理是多么的重要。

Resumo

O transporte de nitratos em aquíferos de bases rochosas heterogêneas é influenciado por mecanismos que operam em diferentes escalas espaciais e temporais. Para entender esses mecanismos em um aquífero arenítico fraturado com alta porosidade, um modelo de transporte de nitrato e fluxo de águas subterrâneas—reproduzindo múltiplos alvos hidráulicos e químicos—foi desenvolvido para explicar a contaminação de nitrato atual observada nas águas subterrâneas e superficiais em uma área de estudo na Ilha Prince Edward, Canadá. As simulações demonstram que o nitrato foi lixiviado para o aquífero por volta de 1 ano, com 61% provenientes de fontes orgânicas transformadas e não transformadas originadas de fertilizantes e esterco. Esse nitrato atinge o aquífero raso mais permeável através das fraturas no aquífero desgastado que representa apenas 1% da porosidade total (17%). Parte do nitrato atinge o aquífero subjacente que é menos ativo em questão do fluxo de águas subterrâneas, mas a maior parte é drenada para o rio principal. A qualidade da água do rio é controlada pela entrada de nitrato do aquífero raso. As águas subterrâneas no aquífero subjacente, que possuem longos períodos de permanência, também são amplamente influenciadas pela difusão do nitrato na matriz do arenito poroso. Consequentemente, seguindo uma mudança nas práticas de aplicação dos fertilizantes, a qualidade da água nos poços domésticos e no rio mudaria rapidamente por causa do nível de nitrato encontrado nas fraturas, mas um intervalo de tempo de mais de 20 anos seria necessário para atingir um nível estático por causa da difusão. Isso demonstra a importância de se entender os mecanismos de transporte de nitrato na criação dos planos de gestão de água e agricultura para melhorar a qualidade da água.