Determining groundwater degradation from irrigation in desert-marginal northern China

Abstract

Groundwater degradation from irrigated agriculture is of concern in semi-arid northern China. Data-scarcity often means the causes and extent of problems are not fully understood. An irrigated area in Inner Mongolia was studied, where abstraction from an unconfined Quaternary aquifer has increased threefold over 20 years to 20 million m³/year; groundwater levels are falling at up to 0.5 m/year; and groundwater is increasingly mineralised (TDS increase from 400 to 700–1,900 mg/L), with nitrate concentrations up to 137 mg/L N. Residence-time (chlorofluorocarbons), stable-isotope and hydrogeochemical indicators helped develop a conceptual model of groundwater system evolution, demonstrating a direct relationship between modern water proportion and the degree of groundwater mineralisation, indicating that irrigation-water recycling is reducing groundwater quality. The investigations suggest that before irrigation development, active recharge to the aquifer from wadis significantly exceeded groundwater inflow from nearby mountains, previously held to be the main groundwater input. Away from active wadis, groundwater is older with a probable pre-Holocene component. Proof-of-concept groundwater modelling supports geochemical evidence, indicating the importance of wadi recharge and irrigation return flows. Engineering works protecting the irrigated area from flooding have reduced good quality recharge; active recharge is now dominated by irrigation returns, which are degrading the aquifer.

Résumé

La dégradation de l’eau souterraine due à l’irrigation est une cause d’inquiétude dans le Nord semi-aride de la Chine. Par suite de la rareté des données, l’origine et l’étendue des problèmes ne sont pas complètement connues. On a étudié une aire irriguée en Mongolie Intérieure dans laquelle le prélèvement sur un aquifère libre quaternaire a triplé en 20 ans jusqu’à atteindre 20 millions de m³/an, le niveau des eaux souterraines diminuant jusqu’à 0.5 m/an et la minéralisation augmentant (les MDT augmentent de 400 à 700–1,900 mg/L), avec des concentrations en nitrates jusqu’à 137 mg-N/L. Le temps de résidence (chlorofluorocarbones), les isotopes stables et les indicateurs hydrogéochimiques ont servi à développer un modèle conceptuel d’évolution de l’aquifère, montrant une relation directe entre la proportion d’eau actuelle et son degré de minéralisation et indiquant que le recyclage de l’eau d’irrigation réduit la qualité de l’eau souterraine. Les investigations suggèrent que, en raison du développement de l’irrigation, la recharge active de l’aquifère par les ouadis dépasse de façon significative l’apport des montagnes proches, auparavant considéré comme apport principal. A distance des ouadis actifs, l’eau souterraine est plus ancienne, avec une composante probable pré-Holocène. La validation du principe de modélisation de l’eau souterraine étaie la signature géochimique, indiquant l’importance de la recharge par les ouadis et du flux de retour de l’irrigation. Les travaux de génie civil protégeant la zone irriguée contre l’inondation ont réduit la recharge de bonne qualité; la recharge active est maintenant dominée par les retours d’irrigation, qui dégradent l’aquifère.

Resumen

La degradación de agua subterránea a partir de la irrigación en la agricultura es preocupante en el norte semiárido de China. La escasez de datos a menudo significa que las causas y la extensión de problemas no están totalmente entendidas. Se estudió un área irrigada en Mongolia interior, donde la extracción a partir de un acuífero Cuaternario no confinado se ha incrementado tres veces durante 20 años a 20 millones de m³/año; los niveles de agua subterránea caen hasta 0.5 m/año; y el agua subterránea se está progresivamente mineralizando (TDS se incrementa de 400 a 700–1,900 mg/L), con concentraciones de nitrato de hasta 137 mg/L N. El tiempo de residencia (clorofluorocarbonos), isótopos estables e indicadores hidrogeoquímicos ayudaron a desarrollar un modelo conceptual de la evolución del sistema de agua subterránea, demostrando una relación directa entre la proporción de agua moderna y el grado de mineralización del agua subterránea, lo cual indica que la irrigación y reciclado del agua está reduciendo la calidad del agua subterránea. Las investigaciones sugieren que antes del desarrollo de la irrigación, la recarga activa del acuífero a partir de wadis excedía significativamente al ingreso de agua subterránea proveniente de las montañas cercanas, lo que previamente se suponía ser el principal ingreso de agua subterránea. Lejos de los wadis activos, el agua subterránea es más vieja con una componente probable pre-holocénica. La prueba del modelo conceptual de agua subterránea se apoya en evidencias geoquímicas, indicando la importancia de la recarga del wadi y los flujos de retorno de la irrigación. Los trabajos de ingeniería para proteger el área irrigada de inundaciones han reducido la recarga de buena calidad; la recarga activa es ahora dominada por retornos de la irrigación, lo cual está degradando el acuífero.

摘要

中国北方半干旱区的农业灌溉造成了地下水质恶化, 但由于数据缺少, 无法完全了解其机理和程度。本文选择内蒙古某灌区开展研究。20年来, 该区第四系潜水含水层地下水的开采量已增加3倍, 达2千万m³/year, 地下水位 年下降达0.5 m/year;地下水矿化程度增加(TDS从400 增至 700–1,900 mg/L); 硝酸盐浓度达137 mg/L N。基于滞留时间(CFCs年龄); 稳定同位素和水文地球化学资料, 建立了一个地下水系统演化概念模型。模型表明, 现代水所占比例与地下水矿化程度有直接关系, 说明灌溉水的回归导致了地下水质的恶化。调查表明,在灌溉发展之前,含水层接受来自河道的补给大于附近山区的侧向补给,为地下水的主要补给源。除了河道的补给, 地下水还可能有前全新世的年龄较老的补给。概念验证模拟的结果支持地球化学证据, 说明河道补给和灌溉回归水的重要性。保护灌区免受洪灾的工程减少了水质较好的水源补给; 现在含水层主要接受灌溉回归水的补给, 导致地下水质

Resumo

Na região semi-árida do norte da China, a degradação da água subterrânea, devido à agricultura de regadio, é preocupante. As causas e a extensão dos problemas não estão totalmente compreendidas, uma vez que os dados são escassos. Foi estudada uma área regada, no interior da Mongólia, onde num aquífero livre quaternário, as extracções aumentaram durante 20 anos para 20 milhões m³/ano; os níveis freáticos estão a rebaixar até 0.5 m/ano, e as águas subterrâneas estão cada vez mais mineralizadas (o TSD aumentou de 400 para 700–1,900 mg/L), com as concentrações de nitratos acima dos 137 mg/L N. O tempo de residência (clorofluorcarbonos) e indicadores de isótopos estáveis e hidrogeoquímicos permitiram o desenvolvimento de um modelo conceptual da evolução do sistema das águas subterrâneas, demonstrando uma relação directa entre a proporção de água moderna e o grau de mineralização da água subterrânea, indicando que a reciclagem da água de rega está a reduzir a qualidade das águas subterrâneas. As investigações sugerem que, antes do desenvolvimento da rega, a recarga activa dos wadis para o aquífero excedia, significativamente, a entrada de água das montanhas próximas, previamente declaradas como a principal área de recarga. Em áreas afastadas dos wadis activos, as águas subterrâneas são mais antigas, com uma componente provável pré-Holocénica. A demonstração da modelação da água subterrânea suporta as evidências geoquímicas, mostrando a importância da recarga dos wadis e dos fluxos de retorno de rega. As obras de engenharia que protegem as áreas de regadio das cheias contribuíram para a redução da boa qualidade da recarga; a recarga activa é agora dominada pela água de retorno de rega, degradando a qualidade do aquífero.