Rui Ma

Using isotopic, hydrogeochemical-tracer and temperature data to characterize recharge and flow paths in a complex karst groundwater flow system in northern China

Isotopic and hydrogeochemical analysis, combined with temperature investigation, was conducted to characterize the flow system in the carbonate aquifer at Taiyuan, northern China. The previous division of karst subsystems in Taiyuan, i.e. the Xishan (XMK), Dongshan (DMK) and Beishan (BMK) mountain systems, were also examined. The measured δD, δ18O and 3He/4He in water indicate that both thermal and cold groundwaters have a meteoric origin rather than deep crustal origin. Age dating using 3H and 14C shows that groundwater samples from discharge zones along faults located at the margin of mountains in the XMK and DMK are a mixture of paleometeoric thermal waters and younger cold waters from local flow systems. 14C data suggest that the average age was about 10,000xa0years and 4,000xa0years for thermal and cold groundwater in discharge zones, respectively. Based on the data of temperature, water solute chemical properties, 14C, δ34SSO4, 87Sr/86Sr and δ18O, different flow paths in the XMK and DMK were distinguished. Shallow groundwater passes through the upper Ordovician formations, producing younger waters at the discharge zone (low temperature and ionic concentration and enriched D and 18O). Deep groundwater flows through the lower Ordovician and Cambrian formations, producing older waters at the discharge zone (high ionic concentration and temperature and depleted D and 18O). At the margin of mountains, groundwater in deep systems flows vertically up along faults and mixes with groundwater from shallow flow systems. By contrast, only a single flow system through the entire Cambrian to Ordovician formations occurs in the BMK.RésuméL’analyse isotopique et hydrogéochimique, combinée avec examen des données de température, a été effectuée pour caractériser le système d’écoulement dans l’aquifère carbonaté de Taiyuan, dans le nord de la Chine. La subdivision précédente des sous-systèmes karstiques du Taiyuan, à savoir les systèmes montagneux du Xishan (XMK), du Dongshan (DMK) et du Beishan (BMK), ont également été examinées. Les analyses de δD, δ18O et du rapport 3He/4He dans l’eau indiquent que les eaux souterraines thermales et froides ont toutes les deux une origine météorique plutôt qu’une origine de croûte profonde. La détermination de l’âge de l’eau utilisant 3H et 14C montre que les échantillons d’eau souterraine des zones de décharge le long des failles localisées sur la bordure des montagnes dans les systèmes XMK et DMK résultent d’un mélange entre des eaux thermales paléométéoriques et des eaux froides plus jeunes des systèmes d’écoulement locaux. Les données de 14C suggèrent que l’âge moyen était de 10,000 ans et de 4,000 ans pour les eaux souterraines thermales et froides dans les zones de décharge, respectivement. A partir des données de température, des propriétés chimiques du soluté, de 14C, δ34SSO4, 87Sr/86Sr et δ18O, différents chemins d’écoulements dans les systèmes XMK et DMK ont été identifiés. Les eaux souterraines peu profondes traversent les formations de l’Ordovicien supérieur, fournissant les eaux les plus jeunes au niveau de la zone de décharge (basse température et concentration ionique et D enrichi et 18O). En bordure des montagnes, les eaux souterraines des systèmes profonds s’écoulent verticalement le long de failles et se mélangent avec les eaux souterraines des systèmes d’écoulement peu profonds. En revanche, seul un système d’écoulement unique à travers l’ensemble des formations du Cambrien à l’Ordovicien existe au sein BMK.ResumenSe llevó a cabo el análisis isotópico e hidrogeoquímico, combinado con la investigación de la temperatura, para caracterizar el sistema de flujo en el acuífero carbonático en Taiyuan, el norte de China. Se examinó la división previa de los subsistemas de karst en Taiyuan, es decir, los de Xishan (XMK) Dongshan (DMK) y los sistemas de montaña Beishan (BMK). Las medidas de δD, δ18O y 3He/4He en agua indican que tanto el agua subterránea termal como la fría tienen un origen meteórico en vez de un origen de la corteza profunda. La datación de las edades utilizando δD, δ18O y 3He/4He muestra que las muestras de agua subterránea de las zonas de descarga a lo largo de las fallas ubicadas en el margen de las montañas en el XML y DMK son una mezcla de aguas termales paleo meteóricas y aguas frías más jóvenes procedentes de los sistemas de flujo local. Los datos de 14C sugieren que la edad promedio fue de alrededor de 10,000 años y 4,000 años en el caso del agua subterránea termal y fría en las zonas de descarga, respectivamente. Basándose en los datos de la temperatura, de las propiedades químicas del soluto agua y de 14C, δ34SSO4, 87Sr/86Sr y δ18O, se distinguieron diferentes trayectorias de flujo en el XML y DMK. El agua subterráneas poco profunda pasa a través de las formaciones del Ordovícico superior, produciendo aguas más jóvenes en la zona de descarga (baja temperatura y concentración iónica y D y 18O enriquecidos). El agua subterránea profunda fluye a través del Ordovícico inferior y formaciones del Cámbrico, generando aguas más viejas en la zona de descarga (alta concentración iónica y temperatura y D y 18O empobrecidos). En el margen de las montañas, el agua subterránea en los sistemas profundos fluye verticalmente hacia arriba a lo largo de las fallas y se mezcla con el agua subterránea con el flujo de los sistemas de poca profundidad. Por el contrario, sólo un sistema de flujo único se produce a través de todas las formaciones del Cámbrico al Ordovícico en el BMK.摘要进行了同位素和水文地球化学分析以及温度调查,以描述中国北方太原碳酸盐含水层中的水流系统。同时也对太原先前的岩溶亚系统的划分,如西山、东山和北山山系进行了调查。测量的水中的δD, δ18O 和 3He/4He结果表明,热地下水和冷地下水是大气来源的,而非深部的地壳来源。使用3H和 14C测年显示,从沿位于西山和东山山脉边缘断层排泄带获取的地下水样是本地水流系统中古大气热水和年轻冷水的混合水。14C资料表明,排泄带热地下水和冷地下水的年龄分别平均为大约10000年和4000年。根据温度、水溶质化学特性、14C、 δ34SSO4、87Sr/86Sr 和 δ18O等资料,对西山和东山不同的水流通道进行了区分。浅层地下水流经晚奥陶系地层,在排泄带产生较年轻的水(低温和低离子浓度及D和 18O富集)。深层地下水流经早奥陶系和寒武系地层,在排泄带产生较老的水(高离子浓度和高温及D 和 18O耗尽)。在山脉边缘,深层系统的地下水流沿断层垂直向上流动与浅层水流系统的地下水混合。相比之下,在北山整个寒武系到奥陶系地层只有一个单一的水流系统。ResumoA análise isotópica e hidrogeoquímica, combinada com a investigação de temperatura, foi conduzida para caracterizar o sistema de fluxo no aquífero carbonático de Taiyuan, norte da China. A divisão anterior dos subsistemas cársticos em Taiyuan, ou seja, o Xishan (XMK), Dongshan (DMK) e o sistema de montanhas Beishan (BMK), também foram examinados. A medida de δD, δ18O e 3He/4He na água indica que ambas as águas subterrâneas, termal e fria, possuem origem meteórica ao invés de origem crustal profunda. A idade datada usando 3H e 14C demonstra que as amostras de água subterrânea vindas das zonas de descarga ao longo das falhas localizadas na margem de montanhas em XML e DMK são uma mistura de águas termais paleometeóricas e águas frias mais jovens de sistemas de fluxo local. Dados de 14C sugerem que a idade média foi de cerca de 10.000 anos e 4.000 anos para as águas subterrâneas termais e frias nas zonas de descarga, respectivamente. Com base nos dados de temperatura, as propriedades químicas do soluto água, 14C, δ34SSO4, 87Sr/86Sr e δ18O, foram distinguidos caminhos de fluxo diferentes no XML e DMK. Águas subterrâneas rasas passam através das formações do Ordoviciano superior, produzindo águas mais jovens na zona de descarga (baixa temperatura e concentração iônica e enriquecimento de D e 18O). Águas subterrâneas profundas fluem através do Ordoviciano inferior e das formações Cambrianas, produzindo águas mais velhos na zona de descarga (alta concentração iônica e temperatura e empobrecimento de D e 18O). Na margem das montanhas, sistemas profundos de água subterrânea fluem verticalmente para cima ao longo de falhas e se misturam com as águas subterrâneas com sistemas de fluxo rasos. Entretanto, no BMK ocorre apenas um sistema de fluxo único através de todo o Cambriano até às formações do Ordoviciano.

Monitoring and modeling the effects of groundwater flow on arsenic transport in Datong Basin

Although arsenic-contaminated groundwater in the Datong Basin has been studied for more than 10 years, little has been known about the complex patterns of solute transport in the aquifer systems. Field monitoring and transient 3D unsaturated groundwater flow modeling studies were carried out on the riparian zone of the Sanggan River at the Datong Basin, northern China, to better understand the effects of groundwater flow on As mobilization and transport. The results indicate that irrigation is the primary factor in determining the groundwater flow paths. Irrigation can not only increase groundwater level and reduce horizontal groundwater velocity and thereby accelerate vertical and horizontal groundwater exchange among sand, silt and clay formations, but also change the HS− concentration, redox conditions of the shallow groundwater. Results of net groundwater flux estimation suggest that vertical infiltration is likely the primary control of As transport in the vadose zone, while horizontal water exchange is dominant in controlling As migration within the sand aquifers. Recharge water, including irrigation return water and flushed saltwater, travels downward from the ground surface to the aquifer and then nearly horizontally across the sand aquifer. The maximum value of As enriched in the riparian zone is roughly estimated to be 1 706.2 mg·d−1 for a horizontal water exchange of 8.98 m3·d−1 close to the river and an As concentration of 190 μg·L−1

Groundwater sustainability and groundwater/surface-water interaction in arid Dunhuang Basin, northwest China

The Dunhuang Basin, a typical inland basin in northwestern China, suffers a net loss of groundwater and the occasional disappearance of the Crescent Lake. Within this region, the groundwater/surface-water interactions are important for the sustainability of the groundwater resources. A three-dimensional transient groundwater flow model was established and calibrated using MODFLOW 2000, which was used to predict changes to these interactions once a water diversion project is completed. The simulated results indicate that introducing water from outside of the basin into the Shule and Danghe rivers could reverse the negative groundwater balance in the Basin. River-water/groundwater interactions control the groundwater hydrology, where river leakage to the groundwater in the Basin will increase from 3,114u2009×u2009104xa0m3/year in 2017 to 11,875u2009×u2009104xa0m3/year in 2021, and to 17,039u2009×u2009104xa0m3/year in 2036. In comparison, groundwater discharge to the rivers will decrease from 3277u2009×u2009104xa0m3/year in 2017 to 1857u2009×u2009104xa0m3/year in 2021, and to 510u2009×u2009104xa0m3/year by 2036; thus, the hydrology will switch from groundwater discharge to groundwater recharge after implementing the water diversion project. The simulation indicates that the increased net river infiltration due to the water diversion project will raise the water table and then effectively increasing the water level of the Crescent Lake, as the lake level is contiguous with the water table. However, the regional phreatic evaporation will be enhanced, which may intensify soil salinization in the Dunhuang Basin. These results can guide the water allocation scheme for the water diversion project to alleviate groundwater depletion and mitigate geo-environmental problem.RésuméLe Bassin du Dunhuang, un bassin intérieur typique du Nord-Ouest de la Chine, souffre d’un net manque d’eaux souterraines et de la disparition occasionnelle du Lac du Croissant. Dans cette région, les interactions eaux souterraines-eaux de surface sont importantes pour la durabilité des ressources en eaux souterraines. Un modèle tridimensionnel d’écoulement souterrain transitoire a été établi et calé sous MODFLOW 2000; il a été utilisé pour prédire les changements de ces interactions une fois achevé un projet de dérivation d’eau. Les résultats de la simulation indiquent qu’une amenée d’eau depuis l’extérieur du bassin dans les rivières Shule et Danghe pourrait inverser le bilan négatif des eaux souterraines dans le Bassin. Les interactions eaux de rivière/eaux souterraines contrôlent l’hydrologie souterraine, alors que les pertes de la rivière vers les eaux souterraines du Bassin s’accroîtront de 3,114u2009×u2009104xa0m3/j en 2017 à 11,875u2009×u2009104xa0m3/j en 2021 et de 17,039u2009×u2009104xa0m3/j en 2036. Comparativement, la décharge de l’eau souterraine vers les rivières décroîtra de 3,277u2009×u2009104xa0m3/j en 2017 à 1857u2009×u2009104xa0m3/j en 2021 et à 510u2009×u2009104xa0m3/j vers 2036; ainsi, l’hydrologie basculera d’un régime de décharge des eaux souterraines à un régime de recharge des eaux souterraines après la mise en œuvre du projet de dérivation de l’eau. La simulation montre que l’accroissement de l’infiltration nette de la rivière en lien avec le projet de dérivation engendrera une remontée de la surface de la nappe, augmentant ainsi significativement le niveau de l’eau du Lac du Croissant du fait de sa connexion avec la surface piézométrique. Cependant, l’évaporation phréatique régionale sera renforcée, ce qui peut intensifier la salinization des sols dans le Bassin du Dunhuang. Ces résultats peuvent orienter le schéma d’allocation de l’eau pour le projet de dérivation, dans l’objectif de tempérer l’épuisement des eaux souterraines et de réduire le problème géo-environnemental.ResumenLa cuenca de Dunhuang, una cuenca continental típica en el noroeste de China sufre una pérdida neta de agua subterránea y la desaparición ocasional del lago Crescent. Dentro de esta región, las interacciones agua subterránea/superficial son importantes para la sostenibilidad de los recursos hídricos subterráneos. Se estableció y calibró un modelo tridimensional de flujo de agua subterránea utilizando MODFLOW 2000, que se utilizó para predecir cambios en estas interacciones una vez que se completa un proyecto de desviación de agua. Los resultados simulados indican que la introducción de agua desde el exterior de la cuenca de los ríos Shule y Danghe podría revertir el balance negativo de agua subterránea en la cuenca. Las interacciones agua de río/agua subterránea controlan la hidrología subterránea, donde la filtración del río hacia el agua subterránea en la cuenca aumentará de 3,114u2009×u2009104xa0m3/a en 2017 a 11,875u2009×u2009104xa0m3/a en 2021, y a 17,039u2009×u2009104xa0m3/a en 2036. En comparación, la descarga de agua subterránea a los ríos disminuirá de 3,277u2009×u2009104xa0m3/a en 2017 a 1857u2009×u2009104xa0m3/a en 2021, y a 510u2009×u2009104xa0m3/a en 2036; por lo tanto, la hidrología cambiará de descarga de aguas subterráneas a recarga de agua subterránea después de implementar el proyecto de desviación de agua. La simulación indica que la mayor infiltración neta del río debido al proyecto de desviación de agua elevará el nivel freático y luego aumentará efectivamente el nivel del agua del lago Crescent, ya que el nivel del lago es contiguo al nivel freático. Sin embargo, se mejorará la evaporación freática regional, lo que puede intensificar la salinización del suelo en la cuenca de Dunhuang. Estos resultados pueden guiar el esquema de asignación de agua para el proyecto de desvío de agua a fin de aliviar el agotamiento del agua subterránea y mitigar el problema geoambiental.摘要敦煌盆地是中国西北地区典型的内陆盆地,正在遭受着地下水的减少以及月牙湖间歇性的干涸。在这个地区内,地下水/地表水的相互作用对于地下水资源的可持续性非常重要。本研究利用MODFLOWxa02000建立了一个三维瞬时地下水流模型并对其进行了校准,校准后的模型被用来预测调水项目完工后这些相互作用发生的变化。模拟结果显示,从盆地之外引来的水进入疏勒河和党河可以扭转敦煌盆地的地下水负均衡状态。河水/地下水相互作用控制着该区地下水的水文情况,河水渗漏到盆地地下水的水量将从2017年的3,114u2009×u2009104xa0m3/year达到2021年的11,875u2009×u2009104xa0m3/year,并且达到2036年的17,039u2009×u2009104xa0m3/year。而地下水排泄到河流的水量将从2017年的3,277u2009×u2009104xa0m3/year减少到2021年的1857u2009×u2009104xa0m3/year,到2036年的510u2009×u2009104xa0m3/year。因此,调水工程实施后,水文模式将从地下水排泄变成地下水补给。模拟结果表明,由于调水工程增加的净河流渗入量将提高水位,从而有效地增加月牙湖的水位,因为湖水位与地下水位是连续的。然而,区域潜水蒸发量将会提高,可能会加剧敦煌盆地的土壤盐碱化。这些结果可指导调水工程的水分配规划,减缓地下水的枯竭及缓解地质环境问题。ResumoA bacia de Dunhuang, uma típica bacia interior no noroeste da China, sofre com a perda efetiva de águas subterrâneas e o ocasional desaparecimento do lago Crescent. Dentro desta região, as interações entre águas subterrâneas/superficiais são importantes para a sustentabilidade dos recursos hídricos subterrâneos. Um modelo de fluxo tridimensional transiente foi estabelecido e calibrado usando o MODFLOW 2000, que foi usado para estimar as mudanças nessas interações uma vez que um projeto de transposição de água seja concluído. Os resultados simulados indicam que a introdução de água de fora da bacia nos rios Shule e Danghe pode reverter o equilíbrio negativo das águas subterrâneas na bacia. Interações rio-aquífero controlam a hidrologia das águas subterrâneas, onde o escoamento do rio para o aquífero na bacia pode aumentar de 3,114u2009×u2009104xa0m3/ano em 2017 para 11,875u2009×u2009104xa0m3/ano em 2021, e para 17,039u2009×u2009104xa0m3/ano em 2036. Em comparação, a descarga de águas subterrâneas para os rios pode reduzir de 3,277u2009×u2009104xa0m3/ano in 2017 para 1857u2009×u2009104xa0m3/ano in 2021 e para 510u2009×u2009104xa0m3/ano em 2036; assim a hidrologia pode mudar da descarga das águas subterrâneas para recarga das águas subterrâneas depois de implementar o projeto de transposição de água. A simulação indica que o aumento efetivo da infiltração do rio devido ao projeto de transposição poderá aumentar o nível freático e então elevar o nível da água do lago Crescent, uma vez que o nível é contiguo com o nível freático. Entretanto, a evaporação freática regional será reforçada, o que pode intensificar a salinização do solo na Bacia de Dunhuang. Estes resultados podem orientar o esquema de atribuições para o projeto de transposição para aliviar a depleção das águas subterrâneas e mitigar o problema geoambiental.

Review: Water–rock interactions and related eco-environmental effects in typical land subsidence zones of China

Land subsidence is common in some regions of China. Various eco-environmental problems have arisen due to changes in water–rock interactions in these subsided areas, for which a comprehensive understanding of the hydrogeological setting is needed. This paper presents the general status of land subsidence in three typical subsided areas of China through the compilation of relevant data, and reviews some typical changes in the water–rock interactions in subsided areas along with related eco-environmental issues. It is found that the subsidence development and distribution are controlled by the groundwater-withdrawal intensity externally, and by the thickness and compressibility of unconsolidated sediments internally. The physical changes and related effects of water–rock interactions in subsided areas include: (1) the decreased ground elevation that caused floods, waterlogged farmland, etc.; (2) the differential subsidence that caused ground fissures; and (3) the change of seepage field that caused substantial reduction of the water resource. Chemically, the changes and related effects of water–rock interactions include: (1) the change to the chemical environment or processes due to the hydrogeologic structure alteration, which caused groundwater pollution; and (2) hydrologic mixing (seawater intrusion, artificial recharge; exchange with adjacent aquifers or aquitards), which degraded the groundwater quality. Further research on the subsided areas in China is suggested to reveal the mechanisms regarding biological and gaseous (meteorological) changes from the perspective of interacting systems among water, rocks, biological agents and gases.RésuméLa subsidence des terrains est. commune dans quelques régions de Chine. Divers problèmes socio-environnementaux sont apparus suite aux changements d’interactions eau–roche dans ces zones de subsidence, pour lesquelles une compréhension détaillée du fonctionnement hydrogéologique est. nécessaire. Cet article présente le statut général de la subsidence des terraines dans trois zones d’affaissements typiques de Chine au travers d’une compilation de données pertinentes, et une revue de quelques changements typiques des interactions eau–roche des zones affaissées en lien avec des problématiques éco-environnementales. Il a été trouvé que le développement de la subsidence et sa distribution sont contrôlés en externe par l’intensité de l’exploitation des eaux souterraines et en interne par l’épaisseur et la compressibilité des sédiments non consolidés. Les changements physiques et les effets en lien avec les interactions eau–roche dans les zones de subsidence incluent: (1) la diminution de l’altitude du sol qui cause des crues et l’engorgement des terres agricoles, etc.; (2) la subsidence différentielle qui cause des fissures dans le sol; et (3) le changement de drainage des champs qui entraîne une diminution importante des ressources en eau. Chimiquement, les changements et effets associés aux interactions eau-roche comprennent: (1) le changement de l’environnement chimique ou des processus du fait de l’altération de la structure hydrogéologique, ce qui peut causer une pollution des eaux souterraines; (2) un mélange d’eau (intrusion d’eau de mer, recharge artificielle; échange avec les aquifères adjacents ou aquitards), ce qui dégrade la qualité des eaux souterraines.D’autres recherches sur les zones de subsidence en Chine semblent montrer les mécanismes en relation avec les changements biologiques et gazeux (météorologiques) du point de vue des interactions eau, roche, agents biologiques et gaz.ResumenLa subsidencia del terreno es común en algunas regiones de China. Varios problemas eco-ambientales han surgido debido a los cambios en las interacciones agua–roca en estas áreas hundidas, para lo cual se necesita una comprensión integral del entorno hidrogeológico. Este artículo presenta el estado general de la subsidencia del terreno en tres áreas típicas de China mediante la recopilación de datos relevantes, y la revisión de algunos cambios típicos en las interacciones agua–roca en áreas de subsidencia junto con los problemas ambientales relacionados. Se encuentra que el desarrollo y la distribución de la subsidencia están controlados, externamente por la intensidad de extracción de agua subterránea, e internamente por el espesor y la compresibilidad de los sedimentos no consolidados. Los cambios físicos y los efectos relacionados de las interacciones agua–roca en las áreas con subsidencia incluyen: (1) la disminución de la elevación del terreno que causa inundaciones, tierras de cultivo anegadas, etc. (2) la subsidencia diferencial que causa fisuras en el suelo; y (3) el cambio del área de filtración que causa una reducción sustancial del recurso hídrico. Químicamente, los cambios y los efectos relacionados de las interacciones agua-roca incluyen: (1) el cambio en el ambiente o procesos químicos debido a la alteración de la estructura hidrogeológica, que causa la contaminación del agua subterránea; y (2) mezcla hidrológica (intrusión de agua de mar, recarga artificial, intercambio con acuíferos adyacentes o acuitardos), lo que degrada la calidad del agua subterránea. Se sugiere realizar más investigaciones sobre las áreas de subsidencia en China para relevar los mecanismos relacionados con los cambios biológicos y gaseosos (meteorológicos) desde la perspectiva de los sistemas que interactúan entre el agua, las rocas, los agentes biológicos y los gases.摘要摘要 地面沉降在中国的很多地区是一种普遍的环境地质问题。在这些地面沉降区,水–岩相互作用的变化已经引发了各种生态环境问题,因此需要对水文地质背景有一个综合的理解。本文通过相关数据资料的整合,描述了中国三个典型地面沉降区的沉降现状,综述了这些地区一些典型的水–岩相互作用变化及其相应的生态环境问题。研究发现,地下水开采强度为地面沉降演化和空间分布的外因,而松散沉积物的厚度及压缩性为其内因。在沉降区,水–岩相互作用在物理方面的变化及相关的生态环境效应包括:(1)地面高程的下降,会引发洪水和水涝地等问题;(2)差异性的沉降,会引发地裂缝;(3)渗流场的改变,会引发地下水资源的显著减少。而在化学方面,水-岩相互作用的变化及相关的生态环境效应包括:(1)因水文地质结构改变而引起的化学环境或过程的变化,会引发地下水污染;(2)水文混合过程的发生(海水入侵、人工回灌补给、相邻含水层或弱透水层的补给),会引起地下水质的恶化。将来的研究建议从水-岩(土)-生-气相互作用系统的理念,来揭示中国地面沉降区关于生物和气候方面变化的机制。ResumoResumo Subsidência de terreno é comum em algumas regiões da China. Muitos problemas eco-ambientais surgiram devido às mudanças nas interações água–rocha nessas áreas que sofreram subsidência, para as quais é necessária uma compreensão abrangente do cenário hidrogeológico. Este artigo apresenta a situação geral de subsidência de terreno, em três áreas típicas da China, por meio da compilação de dados relevantes; e analisa algumas mudanças específicas nas interações água–rocha em áreas que sofreram subsidência, relacionando com questões eco-ambientais. Verificou-se que o desenvolvimento e a distribuição de subsidência são controlados, externamente, pela intensidade da explotação de águas subterrâneas; e, internamente, pela espessura e compressibilidade de sedimentos não consolidados. As mudanças físicas e os efeitos relacionados com as interações água–rocha, em áreas subsidiadas, incluem: (1) a diminuição da elevação do solo, podendo provocar inundações, alagamento de terras agricultáveis, etc.; (2) a subsidência diferencial, que causa fissuras terrestres; e (3) a mudança do campo de infiltração, que provoca redução substancial do recurso hídrico. Quimicamente, as mudanças e os efeitos relacionados com as interações água-rocha incluem: (1) a mudança para o meio ambiente químico ou processos devido à alteração da estrutura hidrogeológica, que causa a poluição das águas subterrâneas; e (2) mistura hidrológica (intrusão salina, recarga artificial, troca com aquíferos ou aquitardos adjacentes), o que degrada a qualidade da água subterrânea. Pesquisas adicionais sobre as áreas subsidiadas na China são sugeridas para revelar os mecanismos de mudanças biológicas e gasosas (meteorológicas) a partir da perspectiva dos sistemas de interação entre água, rochas, agentes biológicos e gases.

Review: Safe and sustainable groundwater supply in China

Exploitation of groundwater has greatly increased since the 1970s to meet the increased water demand due to fast economic development in China. Correspondingly, the regional groundwater level has declined substantially in many areas of China. Water sources are scarce in northern and northwestern China, and the anthropogenic pollution of groundwater has worsened the situation. Groundwater containing high concentrations of geogenic arsenic, fluoride, iodine, and salinity is widely distributed across China, which has negatively affected safe supply of water for drinking and other purposes. In addition to anthropogenic contamination, the interactions between surface water and groundwater, including seawater intrusion, have caused deterioration of groundwater quality. The ecosystem and geo-environment have been severely affected by the depletion of groundwater resources. Land subsidence due to excessive groundwater withdrawal has been observed in more than 50 cities in China, with a maximum accumulated subsidence of 2–3xa0m. Groundwater-dependent ecosystems are being degraded due to changes in the water table or poor groundwater quality. This paper reviews these changes in China, which have occurred under the impact of rapid economic development. The effects of economic growth on groundwater systems should be monitored, understood and predicted to better protect and manage groundwater resources for the future.RésuméL’exploitation des eaux souterraines a fortement augmenté depuis les années 1970 pour satisfaire la demande croissante en eau à cause du développement économique rapide en Chine. En conséquence, le niveau régional des eaux souterraines a considérablement diminué dans de nombreuses régions de Chine. Les sources d’eau sont rares dans le nord et nord-ouest de la Chine, et la pollution d’origine humaine des eaux souterraines a de plus aggravé la situation. Des eaux souterraines avec des concentrations élevées en contaminants géogéniques tels que l’arsenic, le fluore, l’iode et la salinité sont largement répandues en Chine, ce qui a eu des répercussions négatives sur l’approvisionnement en eau potable et à d’autres fins. En plus des contaminations anthropiques, les interactions entre les eaux de surface et les eaux souterraines, y compris les intrusions d’eau marine, ont causé la dégradation de la qualité des eaux souterraines. Les écosystèmes et les environnements géologiques ont été sévèrement affectés par la diminution des ressources en eaux souterraines. L’affaissement des terrains résultant des prélèvements excessifs des eaux souterraines est. observé dans plus de 50 villes en Chine, avec un maximum de subsidence cumulé de 2 à 3xa0m. Les écosystèmes dépendant des eaux souterraines sont en train d’être dégradés à cause des modifications des niveaux d’eau souterraine ou d’une faible qualité des eaux souterraines. Cet article passe en revue ces modifications qui prennent place en Chine, résultant de l’impact du rapide développement économique. Les effets de la croissance économique sur les systèmes hydrogéologiques devraient être surveillés, compris et prévus afin d’assurer une meilleure protection et gestion des ressources en eaux souterraines pour le futur.ResumenEn China la explotación del agua subterránea ha aumentado considerablemente desde la década de 1970 para satisfacer la mayor demanda de agua debido al rápido desarrollo económico. En consecuencia, el nivel regional del agua subterránea se ha profundizado sustancialmente en muchas áreas de China. Las fuentes de agua son escasas en el norte y el noroeste de China, y la contaminación antropogénica del agua subterránea ha empeorado la situación. El agua subterránea que contiene altas concentraciones de arsénico, fluoruro, yodo y salinidad geogénica está ampliamente distribuida, lo cual afectó negativamente el suministro seguro de agua para beber y para otros fines. Además de la contaminación antropogénica, las interacciones entre las aguas superficiales y subterráneas, incluida la intrusión de agua de mar, han causado el deterioro de la calidad del agua subterránea. El ecosistema y el ambiente ecológico se han visto gravemente afectados por el agotamiento de los recursos de agua subterránea. La subsidencia del terreno debido a la extracción excesiva de agua subterránea se ha observado en más de 50 ciudades en China, con un hundimiento máximo acumulado de 2–3xa0m. Los ecosistemas dependientes del agua subterránea se están degradando debido a los cambios en el nivel freático o la mala calidad del agua subterránea. Este documento revisa estos cambios en China, que se han producido bajo el impacto del rápido desarrollo económico. Los efectos del crecimiento económico en los sistemas de agua subterránea deben ser monitoreados, comprendidos y pronosticados para proteger y gestionar mejor los recursos de agua subterránea en el futuro.摘要20世纪70年代以来地下水的开采大大增加以满足中国经济发展中日益增长的用水需求。因此,在中国许多地区区域地下水位大幅下降。中国北部和西北部水源短缺,人为因素造成的地下水污染使局势进一步恶化。含地球成因的浓度很高的砷、氟化物、碘化物及盐分的地下水广泛分布全国,影响着饮用和其它用途的安全供水。除了人为因素的污染,地表水和地下水的相互作用,包括海水入侵导致地下水水质恶化。地下水资源的枯竭严重影响生态系统和地质环境。在中国50多个城市都发现了地下水过度开采引起的地面沉降,累积最大沉降量2–3xa0m。由于水位变化或者地下水水质较差,致使依赖于地下水的生态系统正在退化。本文论述了在经济快速发展影响下中国的这些变化。应当监测、了解和预测经济增长对地下水系统的影响以便更好地将来保护和管理地下水资源。ResumoA explotação de águas subterrâneas tem tido grande crescimento desde os anos 70 para suprir o aumento de demanda, causada pelo rápido desenvolvimento econômico na China. Consequentemente, o nível regional de águas subterrâneas diminuiu substancialmente em muitas áreas da China. As fontes de água são escassas no norte e no noroeste da China, e a poluição antrópica das águas subterrâneas piorou essa situação. Águas subterrâneas com altas concentrações de arsênico, flúor, iodo e salinidade geogênicos são amplamente distribuídas na China, afetando negativamente a segurança no abastecimento de água para consumo e outros fins. Além da contaminação antrópica, as interações entre as águas superficiais e subterrâneas, incluindo a intrusão da água do mar, causaram a deterioração da qualidade das águas subterrâneas. O ecossistema e o geoambiente foram severamente afetados pelo rebaixamento dos recursos hídricos subterrâneos. A subsidência da terra devido à retirada excessiva de águas subterrâneas foi observada em mais de 50 cidades na China, com uma subsidência máxima acumulada de 2 a 3xa0m. Os ecossistemas dependentes das águas subterrâneas estão sofrendo degradação causada tanto pelas alterações no lençol freático como pela má qualidade das águas subterrâneas. Este artigo analisa essas mudanças na China, que ocorreram sob o impacto do rápido desenvolvimento econômico. Os efeitos do crescimento econômico nos sistemas de águas subterrâneas devem ser monitorados, compreendidos e preditos para proteger e gerenciar os recursos de águas subterrâneas para o futuro.

Preface: Groundwater sustainability in fast-developing China

China, with only about 5–7% of global freshwater resources, largely depends on groundwater to meet the domestic, agricultural and industrial groundwater needs of about 20% of the world’s population (Qiu 2010). Excessive groundwater exploitation and intensive human activities have caused depletion of the reservoirs at an alarming rate in northern and northwestern regions, contamination of groundwater resources across the country, and a series of ecohydrological and environmental problems, which have drawn nationwide attention from the public, the government and academia. Groundwater extraction increased by about 2.5 billion m/ year in the past few decades of fast economic development; consequently, groundwater levels in northern and northwestern regions have greatly dropped. Water scarcity has become an increasingly serious problem for two-thirds of China’s 660 cities (Qiu 2010). Groundwater contamination has become a major challenge, most serious in northwestern and northern China where the groundwater resources are in severe shortage. In southern and southeastern China, where the economic growth rate has been greater, groundwater is now laden with heavy metals and various contaminants. Intensive human activities related to groundwater abstraction alter groundwater flow paths and affect its quality. Largescale water conservancy projects built across China such as the South-to-North Water Diversion Project (SNWDP), may impact groundwater systems. As a result of these changes in groundwater flow systems, relevant ecological and geoenvironmental problems have been observed, posing a threat to sustainable development. As China’s economic growth continues, so will its demand for water. In view of this, the effect of quick economic growth on different aspects of groundwater systems should be monitored, understood and predicted for better groundwater protection and management. The effect of large-scale water conservancy projects on groundwater systems should be investigated for sustainable water resource management. To help address the aforementioned issues, this special issue is intended to provide an updated summary of the recent advances in hydrogeological studies in China, to share the lessons with hydrogeologists in other countries that have been experiencing (or will experience) similar situations of fast development, and to encourage discussion on how tomanage the precious groundwater resources for our common future in a global perspective. The content of this issue is summarized in the following.