Detecting a salinity plume in an unconfined sandy aquifer and assessing secondary soil salinization using electromagnetic induction techniques, North Dakota, USA

Abstract

 Land-use changes on the Sheyenne Delta in southeastern North Dakota, USA, have prompted research on impacts to the unconfined Sheyenne Delta aquifer (SDA). This study examines effects of the saline discharge of a flowing artesian well that taps the Dakota aquifer (DAK) on SDA groundwater chemistry and soil salinity. Objectives were to map the saline plume in the SDA using induction techniques, to assess chloride migration in the SDA, and to evaluate induction sensitivity to moderately saline sands. Induction data, collected in a 2.9-ha grid, were compared to 31 soil profiles analyzed for gravimetric moisture, electrical conductivity, and chloride. Soil salinization is widespread, but only 7% of the area meets the 4-dS/m threshold for saline soils. SDA chloride distribution was determined on transects oriented with and perpendicular to the flow path determined from induction readings. Chloride was detected in the aquifer 550 m from the source, indicating a transport rate of 21 m/yr. Complex recharge and discharge patterns and hummocky relief contribute to a wide chloride plume at this site. A mass balance based on soil-water content and chloride concentration shows that only 4% of the chloride from the DAK well remains in the grid volume.

Résumé

Des modifications de l'utilisation des terres dans le delta de la rivière Sheyenne (Nord Dakota, États-Unis) ont déclenché des études sur les impacts sur l'aquifère libre du delta de la rivière Sheyenne (SDA). Cette étude analyse les effets de la décharge salée d'un puits artésien jaillissant qui atteint l'aquifère du Dakota (DAK) sur le chimisme de l'eau souterraine du SDA et sur la salinité des sols. Les objectifs ont été de cartographier le panache salé dans le SDA en utilisant des techniques d'induction, d'évaluer la migration des chlorures dans le SDA et d'estimer la sensibilité de l'induction pour des sables modérément salés. Les données d'induction, recueillies sur une surface maillée de 2,9 ha, ont été comparées aux 31 profils d'humidité de sol analysée par gravimétrie, de conductivitéélectrique et de chlorures. La salinisation des sols est étendue, mais seulement 7% de la surface atteint le seuil de 4 dS/m pour les sols salés. La distribution des chlorures dans le SDA a été déterminée selon des sections perpendiculaires à l'écoulement à partir des valeurs d'induction. Les chlorures ont été détectés dans l'aquifère à 550 m de la source, ce qui indique une vitesse d'écoulement de 21 m/an. Les conditions de recharge et de décharge complexes et le relief moutonné sont la cause d'un large panache de chlorures à ce site. Un bilan de matière s'appuyant sur la teneur en eau des sols et sur les concentrations en chlorures montre que seulement 4% des chlorures du puits du DAK restent dans le volume de l'espace maillé.

Resumen

Los cambios en los usos del suelo en el Delta del Sheyenne (Dakota del Norte, EE.UU.) han activado la investigación sobre posibles impactos al acuífero del Delta del Sheyenne (SDA). En este estudio se examinan los efectos de la salinidad de un pozo artesiano, localizado en el acuífero Dakota, sobre la hidrogeoquímica del SDA y la salinidad del suelo. Los objetivos eran delimitar el penacho salino presente en el SDA utilizando técnicas de inducción, caracterizar la migración de cloruros en el acuífero y evaluar la sensibilidad de la inducción a las arenas moderadamente salinas. Se compararon los datos de inducción, recogidos sobre una malla de 2.9 ha, con 31 perfiles de suelo en los que se midieron humedad, conductividad eléctrica y contenido en cloruro. La salinización del suelo está extendida, pero sólo un 7% del área alcanza el umbral de suelo salino (4 dS/m). La distribución de cloruros en el SDA se determinó en secciones transversales orientadas paralela y perpendicularmente a la dirección del flujo. Se detectó cloruro a 550 m de la fuente, indicando una velocidad de transporte de 21 m/año. La complejidad en la distribución espacial de recarga y descarga, así como el tipo de relieve contribuyen a formar un penacho muy ancho. Un balance de masa basado en contenidos de agua en el suelo y en las concentraciones de cloruro muestran que sólo el 4% del cloruro procedente del pozo artesiano permanece en el volumen definido por la malla.