Detecting groundwater sources for water supplies using magnetic resonance sounding in arid areas with scarce hydrogeological data: a case study on the Mongolian Plateau

Abstract

In most arid areas, due to scarce hydrogeological data, it is a challenge to locate groundwater sources and to meet water demand for residential, irrigation, and mining uses. In this study, an innovative method is presented, using magnetic resonance sounding (MRS), to detect areas suitable as groundwater sources on the Mongolian Plateau. First, a target investigation area was identified with a small number of MRS surveys of potential areas by determining whether aquifers exist, whether the aquifers have relatively large water contents and relaxation times, and whether there are hydraulic connections among the aquifers. Next, an intensive MRS survey (158 points in total) was conducted in the target investigation area, and eight boreholes were drilled. A comparison of the borehole data and MRS data showed that when the MRS data had a high signal-to-noise ratio, the aquifer depth and transmissivity estimated by MRS were associated with a deviation of only 4.85 m from the measured depth, and an uncertainty in transmissivity of 15.53%, respectively. These values indicated that the proposed method is highly accurate. Finally, a kriging interpolation method was used to construct distribution maps of groundwater levels, aquifer thickness, transmissivity, and water yield, based on the borehole and MRS data. The reliability of the results was assessed from several perspectives. The findings showed that this step-by-step approach is an effective method of groundwater source detection in arid areas with scarce hydrogeological data.

Résumé

Dans la plupart des régions arides, en raison de la rareté des données hydrogéologiques, localiser des aquifères et répondre à la demande en eau pour des usages résidentiels, agricoles (irrigation) et miniers constitue un défi. Dans cette étude, une méthode innovante utilisant les sondages de résonnance magnétique (MRS) est présentée pour détecter des zones aquifères propices sur le plateau mongol. Premièrement, une région de recherche cible a été identifiée avec un petit nombre de reconnaissances MRS réalisées sur des zones potentielles; l’objectif est de déterminer si des aquifères existent, si ces aquifères ont des teneurs en eau et temps de relaxation relativement importants et s’il y a des connexions hydrauliques entre aquifères. Ensuite, une reconnaissance RMP intensive (158 points au total) a été conduite dans la région de recherche cible et huit forages ont été réalisés. Une comparaison des données de forages et des données MRS montre que, lorsque les données MRS ont un fort rapport signal sur bruit, la profondeur de l’aquifère et la transmissivité estimées au moyen de la MRS montrent une déviation de seulement 4.85 m pour la profondeur mesurée et une incertitude sur la transmissivité de 15.53%. Ces valeurs indiquent que la méthode proposée est très précise. Enfin, une méthode d’interpolation par krigeage a été utilisée pour construire des cartes de distribution des niveaux piézométriques, d’épaisseur de l’aquifère, de la transmissivité et du débit, sur la base des données de forage et de MRS. La fiabilité des résultats a été établie selon de nombreuses perspectives. Les résultats montrent que cette approche par étapes est une méthode efficace de détection des aquifères dans les régions arides ne disposant que de rares données hydrogéologiques.

Resumen

En la mayoría de las zonas áridas, debido a la escasez de datos hidrogeológicos, es difícil localizar las fuentes de agua subterránea y satisfacer la demanda de agua para usos residenciales, de riego y mineros. En este estudio, se presenta un método innovador, utilizando sondeos por resonancia magnética (MRS), para detectar áreas adecuadas como fuentes de agua subterránea en la meseta mongola. En primer lugar, se identificó un área de investigación objetivo con un pequeño número de estudios de MRS de áreas potenciales determinando si existen acuíferos, si los acuíferos tienen contenidos de agua y tiempos de recuperación relativamente grandes, y si existen conexiones hidráulicas entre los acuíferos. Luego, se llevó a cabo un estudio intensivo de MRS (158 puntos en total) en el área de investigación del objetivo, y se perforaron ocho pozos de sondeo. Una comparación de los datos de la perforación y de la MRS mostró que cuando los datos de la MRS tenían una alta relación señal/ruido, la profundidad y transmisividad del acuífero estimada por la MRS estaban asociadas con una desviación de sólo 4.85 m de la profundidad medida, y una incertidumbre en la transmisividad de 15.53%. Estos valores indican que el método propuesto es muy preciso. Finalmente, se utilizó un método de interpolación por kriging para construir mapas de distribución de los niveles de agua subterránea, el espesor del acuífero, la transmisividad y el rendimiento del agua, basados en los datos de la perforación y del MRS. La fiabilidad de los resultados se evaluó desde varias perspectivas. Los resultados mostraron que este enfoque paso a paso es un método eficaz de detección de fuentes de agua subterránea en zonas áridas con escasos datos hidrogeológicos.

摘要

在大多数干旱地区,由于缺少水文地质数据,查找地下水源以满足居住、灌溉和采矿的用水需求是一个挑战。在本研究中,介绍了一种创新方法,即采用核磁共振法探测蒙古高原适合成为地下水源的地区。首先,用潜在区少量的核磁共振勘探结果确定目标调查区,确定是否存在着含水层、含水层是否有相当大的水量以及松弛时间以及含水层之间是否有水力联系。下一步,在目标调查区进行了密集的核磁共振勘探(总共158个点),并钻孔8个。钻孔数据和核磁共振数据对比结果显示,当核磁共振数据具有很高的信噪比时,核磁共振估算的含水层深度和导水系数与测量的深度只有4.85 m的误差以及与导水系数15.53%的不确定性相关联。这些数值表明,提出的方法有很高的精确度。最后,根据钻孔数据和核磁共振数据,采用克立格插值法绘制地下水位、含水层厚度、导水系数和出水量分布图。通过几个方面评价了结果的可靠性。研究结果显示,步进式的方法是探测水文地质数据匮乏的干旱地区地下水源的有效方法。

Resumo

Na maioria das áreas áridas, devido a dados hidrogeológicos escassos, é um desafio localizar fontes de água subterrânea e atender a demanda de água para usos residenciais, irrigação e mineração. Neste estudo, um método inovador é apresentado, usando ressonância magnética (RM), para detectar áreas adequadas como fontes de água subterrânea no Planalto da Mongólia. Primeiro, uma área alvo de investigação foi identificada com um pequeno número de levantamentos de RM em áreas potenciais, determinando se existem aquíferos, se os aquíferos têm quantidade de água relativamente grande e tempos de relaxamento, e se há conexões hidráulicas entre os aquíferos. Em seguida, uma pesquisa intensiva em RM (158 pontos no total) foi realizada na área de investigação, e oito furos de sondagem foram perfurados. A comparação entre os dados dos poços e os dados de RM mostrou que, quando os dados de RM apresentaram uma alta relação sinal-ruído, a profundidade do aquífero e a transmissividade estimada pela RM foram associadas a um desvio de apenas 4.85 m da profundidade medida e a uma incerteza na transmissividade de 15.53%. Esses valores indicaram que o método proposto é altamente preciso. Finalmente, um método de interpolação de krigagem foi usado para construir mapas de distribuição dos níveis de águas subterrâneas, espessura do aquífero, transmissividade e produção de água, com base nos dados dos furos de sondagem e da RM. A confiabilidade dos resultados foi avaliada sob várias perspectivas. Os resultados mostraram que esta abordagem passo-a-passo é um método eficaz de detecção de fontes de água subterrânea em áreas áridas com dados hidrogeológicos escassos.