Results from the Big Spring basin water quality monitoring and demonstration projects, Iowa, USA

Abstract.

Agricultural practices, hydrology, and water quality of the 267-km² Big Spring groundwater drainage basin in Clayton County, Iowa, have been monitored since 1981. Land use is agricultural; nitrate-nitrogen (-N) and herbicides are the resulting contaminants in groundwater and surface water. Ordovician Galena Group carbonate rocks comprise the main aquifer in the basin. Recharge to this karstic aquifer is by infiltration, augmented by sinkhole-captured runoff. Groundwater is discharged at Big Spring, where quantity and quality of the discharge are monitored.

Monitoring has shown a threefold increase in groundwater nitrate-N concentrations from the 1960s to the early 1980s. The nitrate-N discharged from the basin typically is equivalent to over one-third of the nitrogen fertilizer applied, with larger losses during wetter years. Atrazine is present in groundwater all year; however, contaminant concentrations in the groundwater respond directly to recharge events, and unique chemical signatures of infiltration versus runoff recharge are detectable in the discharge from Big Spring.

Education and demonstration efforts have reduced nitrogen fertilizer application rates by one-third since 1981. Relating declines in nitrate and pesticide concentrations to inputs of nitrogen fertilizer and pesticides at Big Spring is problematic. Annual recharge has varied five-fold during monitoring, overshadowing any water-quality improvements resulting from incrementally decreased inputs.

Résumé.

Les pratiques culturales, l'hydrologie et la qualité de l'eau du bassin d'alimentation de la source de Big Spring, étendu de 267 km², située dans le comté de Clayton (Iowa, Etats-Unis) ont été suivis depuis 1981. Ce territoire est utilisé par l'agriculture; l'azote des nitrates (N) et les pesticides sont les contaminants des eaux souterraines et des eaux de surface qui en résultent. Les roches carbonatées ordoviciennes du groupe Galena constituent le principal aquifère du bassin. Cet aquifère karstique est rechargé par l'infiltration à laquelle s'ajoute le ruissellement de surface drainé par des pertes. L'eau souterraine ressort à Big Spring, dont le débit et la qualité des eaux sont contrôlés.

Ce contrôle a montré que les concentrations en azote des nitrates des eaux souterraines ont triplé entre les années soixante et les années quatre-vingt. L'azote des nitrates issu du bassin équivaut au tiers de l'azote des engrais appliqués, avec des pertes plus importantes au cours des années plus humides. L'atrazine est présente dans les eaux souterraines tout au long de l'année; cependant, les concentrations en contaminants des eaux souterraines répondent directement aux épisodes de recharge et les signatures chimiques uniques de l'infiltration par rapport à la recharge par le ruissellement sont détectables à l'exutoire de Big Spring.

Les efforts d'éducation et de démonstration ont réduit les taux d'application d'engrais nitratés d'un tiers depuis 1981. La baisse des concentrations en nitrates et en pesticides liée aux entrées d'engrais nitratés et de pesticides à Big Spring est problématique. La recharge annuelle a varié d'un facteur cinq au cours du suivi, ce qui masque toute amélioration de la qualité de l'eau résultant d'entrées diminuées.

Resumen.

Se han controlado las prácticas agrícolas, hidrología y calidad del agua de la cuenca de Big Spring (267 km²), en el Condado de Clayton, desde el año 1981. Los usos del suelo son eminentemente agrícolas, hecho que acarrea la presencia de nitratos y herbicidas en las aguas subterráneas y superficiales. El acuífero principal de la cuenca está formado por rocas carbonatadas del Grupo de Galenas del Ordovícico. La recarga a este acuífero kárstico se produce por infiltración, que se ve aumentada por la existencia de dolinas. Las aguas subterráneas descargan al Big Spring, en el que existe una red de control de su cantidad y calidad.

Los registros históricos muestran que las concentraciones de nitratos se han multiplicado por tres entre 1960 y comienzos de los 80. El nitrato drenado en la cuenca equivale a un tercio del nitrógeno aplicado como fertilizante, si bien se produce más lixiviados en los años húmedos. Se ha detectado atracina de forma regular durante el año en las aguas subterráneas, aunque las concentraciones responden directamente a los episodios de recarga; en la descarga del Big Spring, se aprecia la correlación química existente entre la infiltración y las aguas de escorrentía superficial.

La educación y los esfuerzos de divulgación han reducido en un tercio la carga de fertilizantes nitrogenados desde 1981. Sin embargo, es complicado relacionar las reducciones en el uso de nitratos y pesticidas con las concentraciones de dichos compuestos en el Big Spring. La recarga anual ha variado en un factor de cinco durante el período registrado, difuminando las mejoras de calidad de las aguas obtenidas gracias a la disminución de las dosis de contaminantes.