Use of Stable and Radioactive Isotopes and Gaseous Tracers for Estimating Groundwater Recharge, Time of Residence, Mixing of the Different Types of Groundwater and Origin in the Silao Romita Aquifer, Guanajuato, Central Mexico

Zusammenfassung

 
Sogenannte Multi-Tracer-Studien sind eine effektive Methode um die Fließbedingungen von Grund- wässern zu bestimmen. Stabile und radioaktive Isotope sowie gasförmige Spurenstoffe wurden zu- sammen mit wasserchemischen Untersuchungen angewandt, um die mittlere Verweilzeit, Herkunft, Mischungstypen von Grundwässern sowie die Regionen der Grundwasserneubildung abzuschätzen. Verschiedene Methoden wurden zur Grundwasserdatierung verwendet (Tritium, C-14, FCKW-11, FCKW-12 und FCKW-113). Tritium lieferte Verweilzeiten von fast null bis größer 50 Jahre für „Piston Flow“ und 73 bis größer 300 Jahre für das Exponentialmodell. Der Vergleich zwischen H-3 und FCKW offenbarte große Abweichungen der berechneten „Grundwasseralter“. Die Diskrepanz könnte mit der Anreicherung der FCKWs durch Pumpen oder dem Bewässerungsrückfluss begründet werden. Trotzdem konnten die FCKWs zur Abschätzung des Grundwasserfließmodells herangezogen werden, wobei das Exponentialmodell die Fließbedingungen im Untersuchungsgebiet am besten beschreibt. Die Abschätzung der mittleren Verweilzeiten mit Hilfe von Radiokohlenstoff erwies sich aufgrund großer Unsicherheiten in der Abschätzung der delta C-13 - Werte für Bodenluft und Karbonate als sehr problematisch. Eine qualitative Betrachtung der C-14 - Konzentrationen lässt allerdings in einigen Fällen die Existenz von fossilen Wässern mit Verweilzeiten von mehreren tausend Jahren erkennen. Die Interpretation der chemischen Analysen und des Strontiums offenbart die Gruppierung der Mehrheit der Proben in zwei Grundwassertypen. Ein Typ ist überwiegend in den Randbereichen des Untersuchungsgebietes zu finden während der zweite Wassertyp im Zentrum des Beckens verteilt ist. Grundwassermischungstypen mit Hilfe von Strontiumisotopenverhältnissen zu erkennen erwies sich als schwierig, da die hohen Strontiumkonzentrationen in den Karbonaten der Sedimente die Unterschiede der Sr-87 / Sr-86 - Signaturen verschiedener Grundwässer überdeckten. Deuterium und O-18 zeigten Verdunstungseffekte im Grundwasser auf, das möglicherweise größere Anteile an Paläowasser hat. Der Vergleich mit Daten eines früheren Berichtes lässt eine zunehmende Anreicherung von H-2 and O-18 erkennen was mit dem Rückfluss von Bewässerungswasser begründet wird. Die Chloridmassenbilanzmethode wurde eingesetzt, um die Regionen der Grundwasserneubildung zu erkennen, die in den Randbereichen des Untersuchungsgebietes zu finden sind. Die höchsten Neubil- dungswerte zeigten dabei die Sierra de Guanajuato und die Erhebungen im Osten und Süden. Weil zur Berechnung nur unzureichende Chloridmessungen im Niederschlag zur Verfügung standen, konn- ten die Ergebnisse lediglich qualitativ bewertet werden.
 
Multitracer studies are an effective tool to determine flow conditions and mean residence times of groundwater. Stable and radioactive isotopes and gaseous tracers together with water chemistry are used to estimate mean residence time, origin and mixing of groundwaters and recharge regions in the aquifer of Silao-Romita. To determine residence times, different methods were applied (tritium, C-14, CFC-11, CFC-12 and CFC-113). Tritium yielded mean residence times of almost zero to more than 50 years for piston flow and 73 to more than 300 years for the exponential model. Comparing tritium and CFC “ages”, large differences became apparent which may be due to enrichment of CFCs caused by pumping or possi- ble irrigation return flow. Nonetheless CFCs provided plausible information to determine the ground- water flow model. The exponential model (EM) appeared to be most appropriate. The determination of mean residence times by radiocarbon was very problematic due to huge uncertainties in estimating delta C-13 of soil air and carbonates. A qualitative estimation revealed in some cases the existence of fossil waters with mean residence times of several thousand years. The interpretation of chemical analyses and strontium showed a grouping of the majority of the sam- ples into two types of groundwater. One is primarily present at the margins of the study area and the other in the centre of the basin. A detection of mixtures by strontium isotope ratios was problematic due to the high strontium content of the carbonates in the sediments which masks possible differences in Sr-87 / Sr-86 signatures of different groundwaters. Using H-2 and O-18 revealed evaporative effects in the extracted groundwater which possibly contains larger proportions on paleowaters. A comparison with data of a former report shows increasingly en- riched values which are attributed to irrigation return flow. Chloride Mass Balance (CMB) was applied to identify recharge regions which are at the margins of the study area. The Sierra de Guanajuato and the hills in the east and south showed the highest recharge values. Due to poor precipitation data of chloride these values were not reliable and interpretation was done qualitatively.
 
Sogenannte Multi-Tracer-Studien sind eine effektive Methode um die Fließbedingungen von Grund- wässern zu bestimmen. Stabile und radioaktive Isotope sowie gasförmige Spurenstoffe wurden zu- sammen mit wasserchemischen Untersuchungen angewandt, um die mittlere Verweilzeit, Herkunft, Mischungstypen von Grundwässern sowie die Regionen der Grundwasserneubildung abzuschätzen. Verschiedene Methoden wurden zur Grundwasserdatierung verwendet (Tritium, C-14, FCKW-11, FCKW-12 und FCKW-113). Tritium lieferte Verweilzeiten von fast null bis größer 50 Jahre für „Piston Flow“ und 73 bis größer 300 Jahre für das Exponentialmodell. Der Vergleich zwischen H-3 und FCKW offenbarte große Abweichungen der berechneten „Grundwasseralter“. Die Diskrepanz könnte mit der Anreicherung der FCKWs durch Pumpen oder dem Bewässerungsrückfluss begründet werden. Trotzdem konnten die FCKWs zur Abschätzung des Grundwasserfließmodells herangezogen werden, wobei das Exponentialmodell die Fließbedingungen im Untersuchungsgebiet am besten beschreibt. Die Abschätzung der mittleren Verweilzeiten mit Hilfe von Radiokohlenstoff erwies sich aufgrund großer Unsicherheiten in der Abschätzung der delta C-13 - Werte für Bodenluft und Karbonate als sehr problematisch. Eine qualitative Betrachtung der C-14 - Konzentrationen lässt allerdings in einigen Fällen die Existenz von fossilen Wässern mit Verweilzeiten von mehreren tausend Jahren erkennen. Die Interpretation der chemischen Analysen und des Strontiums offenbart die Gruppierung der Mehrheit der Proben in zwei Grundwassertypen. Ein Typ ist überwiegend in den Randbereichen des Untersuchungsgebietes zu finden während der zweite Wassertyp im Zentrum des Beckens verteilt ist. Grundwassermischungstypen mit Hilfe von Strontiumisotopenverhältnissen zu erkennen erwies sich als schwierig, da die hohen Strontiumkonzentrationen in den Karbonaten der Sedimente die Unterschiede der Sr-87 / Sr-86 - Signaturen verschiedener Grundwässer überdeckten. Deuterium und O-18 zeigten Verdunstungseffekte im Grundwasser auf, das möglicherweise größere Anteile an Paläowasser hat. Der Vergleich mit Daten eines früheren Berichtes lässt eine zunehmende Anreicherung von H-2 and O-18 erkennen was mit dem Rückfluss von Bewässerungswasser begründet wird. Die Chloridmassenbilanzmethode wurde eingesetzt, um die Regionen der Grundwasserneubildung zu erkennen, die in den Randbereichen des Untersuchungsgebietes zu finden sind. Die höchsten Neubil- dungswerte zeigten dabei die Sierra de Guanajuato und die Erhebungen im Osten und Süden. Weil zur Berechnung nur unzureichende Chloridmessungen im Niederschlag zur Verfügung standen, konn- ten die Ergebnisse lediglich qualitativ bewertet werden.
 
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