Conceptual hydrodynamic model of the Pamukkale hydrothermal field, southwestern Turkey, based on hydrochemical and isotopic data

The results of study on the hydrochemical and isotope characteristics of shallow and deep waters at Pamukkale hydrothermal field Turkey are described in order to obtain a better understanding of the hydrological circulation. The field can be grouped into two groundwater sub-systems; cold water springs of Ca–HCO₃ type (10–12 °C), and CO₂-rich thermal waters of Ca–HCO₃–SO₄ type (25–58 °C). The occurrence of these water types is closely related to the morphology of the region, where intense tectonism formed horst and graben structures. Hence, two hydrogeological systems were defined: a deep geothermal system which is related to extensive and deep circulation of meteoric water in the regional flow system, and a shallow system which is related to local groundwater flow through sedimentary strata. The meteoric water falling at higher elevations percolates to the local groundwater system at a shallow level and flows to the deep geothermal system. During a deep convection cycle from a recharge to discharge area, the cold water attains heat from the asthenospheric intrusions, causing it to ascend. Variations of chemical and isotopic composition of thermal waters result from their mixing with cool groundwater in a shallow aquifer during their ascent to the surface.

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Résumé Les résultats d'une étude portant sur les caractéristiques hydrochimiques et isotopiques de puits phréatiques et profonds situés dans le champ hydrothermal de Pamukkale, sont décrits de telle manière à éclairer le fonctionnement des circulations hydrologiques. Le champ peut étre divisé en deux sous-systèmes d'eaux souterraines, l'un avec des eaux de sources froides (10–12 °C) de type Ca–HCO3, et les eaux thermales (25–58 °C) riches en CO₂ et de type Ca–HCO₃–SO4. L'occurrence de ces types d'eaux est fermement liée à la morphologie de la région, oùne tectonique intense a engendré des structures en horsts et en grabens. Dés lors deux systèmes hydrogéologiques ont été définis : un système profond, qui est lié à la circulation extensive et profonde des eaux météoritiques dans le système régional d'écoulement, et un système phréatique lié aux écoulements locaux des eaux souterraines à travers les strates sédimentaires. Les eaux météoritiques aux altitudes élevées, percolent jusqu'aux systèmes locaux phréatiques, puis coulent jusqu'aux systèmes géothermaux plus profonds. Durant le cycle de convection profond des zones de recharge jusqu'aux zones de décharge, l'eau froide atteint les zones chaudes liées aux intrusions athenosphériques, provoquant la remontée. Les variations de la composition chimique et isotopique des eaux thermales résultent dans leurs mélanges avec des eaux souterraines froides dans les aquifères phréatiques durant leur remontée jusqu'à la surface.

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Resumen Se describen los resultados del estudio de las características isotópicas e hidroquímicas de las aguas someras y profundas para obtener un mejor entendimiento de la circulación hidrológica del campo hidrotermal Pamukkale. El campo puede agruparse en dos sub-sistemas de agua subterránea: manantiales de agua fría del tipo Ca–HCO₃ (10–12°C) y aguas termales ricas en CO₂ del tipo Ca–HCO₃–SO₄(25–58°C). El ambiente de estos tipos de aguas se relaciona estrechamente con la morfología de la región donde el tectonismo intenso ha formado estructuras extensionales tipo graben y horst. Se definieron dos sistemas hidrogeológicos: un sistema geotermal profundo que se relaciona con la circulación profunda y extensa de agua meteórica en el sistema regional de flujo y un sistema somero el cual se relaciona con flujo local de agua subterránea a través de estratos sedimentarios. El agua meteórica que cae en altas elevaciones percola al sistema local de agua subterránea en un nivel somero y fluye hacia el sistema geotermal profundo. Durante un ciclo de convección del área de recarga hacia la zona de descarga, el agua fría se calienta a partir de los intrusivos astenosféricos lo que ocasiona que asciendan. Como resultado de la mezcla de las aguas recalentadas, con agua subterránea fría en un acuífero somero durante el ascenso hacia la superficie, se derivan variaciones en la composición química e isotópica de las aguas termales.

     

Modelling groundwater flow of the Trifa aquifer, Morocco

Trifa is the most productive agricultural plain of north-eastern Morocco. The development of agricultural activities during the last few decades has been mainly based on imported water for irrigation. However, irrigation requirements have become so large that groundwater is used as a secondary source to supply the agricultural and domestic water needs, causing a depletion of the groundwater resources, especially during dry periods. A hydrological and a hydrogeological model for the Trifa plain have been developed, which yield information on relevant parameters such as groundwater recharge, and estimate the amount of pumped groundwater needed to meet the irrigation needs. The models (MODFLOW and WetSpass) provide insight into the status and evolution of the groundwater reserves. The results of the study are useful to predict the sustainability of the groundwater resources in the Trifa plain and to evaluate possible management actions. A reduction in groundwater abstraction by at least 25% may be necessary to achieve sustainable conditions.

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Resumen Trifa es la planicie agrícola más productiva del noreste de Marruecos. El desarrollo de las actividades agrícolas durante las últimas décadas se ha basado principalmente en agua importada para riego. Sin embargo, los requerimientos de riego han llegado a ser tan grandes ocasionando que se utilice el agua subterránea como una fuente secundaria para abastecer las necesidades de agua para uso doméstico y agrícola, lo que causa un agotamiento de los recursos de agua subterránea, especialmente durante periodos secos. Se ha desarrollado un modelo hidrogeológico e hidrológico para la planicie Trifa el cual aporta información de parámetros relevantes tal como recarga de agua subterránea y estima la cantidad de agua subterránea que necesita bombearse para satisfacer las necesidades de riego. Los modelos (MODFLOW y WetSpass) aportan una idea acerca del estado actual y la evolución de las reservas de agua subterránea. Los resultados de este estudio son útiles para predecir la sostenibilidad de los recursos de agua subterránea en la planicie Trifa y para evaluar posibles acciones de gestión. Puede ser necesario reducir la explotación de agua subterránea en por lo menos 25% para alcanzar condiciones sostenibles.

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Résumé Trifa est la plaine agricole la plus productive du Nord-Est marocain. Le développement de l’activité agricole durant ces dernières décennies a essentiellement reposé sur l’irrigation. Néanmoins les besoins de l’irrigation sont devenus tels que l’eau souterraine est utilisée comme ressource secondaire, pour combler la demande en eau domestique et agricole, induisant un rabattement d’autant plus important durant les périodes sèches. Un modèle hydrologique et hydrogéologique de la plaine de Trifa a été développé sur base des paramètres les plus importants, tels la recharge, et permet d’estimer le pompage nécessaire des eaux souterraines pour combler les besoins de l’irrigation. Les modèles (MODFLOW et WetSpass) apportent une bonne connaissance de l’état et de l’évolution des réserves souterraines. Les résultats de l’étude sont utiles pour prédire la longévité des ressources et pour évaluer différents scénarios de gestion. Une réduction de l’extraction de 25% serait nécessaire pour atteindre un état durable.

     

Use of geochemical modeling to evaluate the hydraulic connection of aquifers: a case study from Chianan Plain, Taiwan

Aquifers are generally composed of highly permeable layers that can conduct a considerable amount of groundwater. Traditionally, aquifer units are correlated through the concept of lithostratigraphy. For low-permeable aquifers, it is difficult to define the spatial distribution of hydrogeological units, and this study attempts to use geochemical modeling to identify the groundwater flow paths in an area of Taiwan. Multiple geochemical analyses, including groundwater chemistry; stable isotopic compositions of hydrogen, oxygen and carbon; and radiocarbon contents were performed. Using these parameters as the constraints of geochemical models, the hydraulic connection was examined between pairs of possibly interlinked wells along four selected cross sections, and the conceptual groundwater model was accordingly established. The resultant model suggests that the hydraulic connection between aquifers should be correlated with the concept of chronological stratigraphy, especially for low-permeable, unconsolidated aquifers. Using Darcy’s law, the hydraulic conductivities of the fine-sand aquifers were estimated to be between 3.14 × 10⁻⁵ and 1.80 × 10⁻⁴ m/s, which are roughly one order of magnitude higher than those derived by in situ pumping tests. The substantial extraction of groundwater over a long period in the studied area could accelerate groundwater flow, leading to an overestimation of the aquifer permeability.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé En règle générale, les aquifères sont constitués de couches très perméables capables de conduire des quantités d’eau considérables. Les unités aquifères sont traditionnellement corrélées d’un point de vue lithostratigraphique. Dans le cas des aquifères à faible perméabilité, il s’avère difficile de définir une distribution spatiale des unités hydrogéologiques, et cette étude tente d’utiliser la modélisation géochimique pour identifier les cheminements des eaux souterraines dans un secteur de Taiwan. Plusieurs analyses géochimiques ont été réalisées ; elles incluent la chimie des eaux souterraines, les isotopes stables de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone et l’abondance en carbone 14. En utilisant ces paramètres comme contraintes pour les modèles géochimiques, les liaisons hydrauliques entre les puits potentiellement interconnectés ont été étudiées deux par deux, le long de quatre coupes présélectionnées, et le modèle conceptuel a été établi en conséquence. Ce modèle résultant suggère que les connexions hydrauliques inter-aquifères devraient être corrélées avec les concepts stratigraphiques, surtout pour les aquifères non consolidés à faible perméabilité. Les perméabilités dans les aquifères de sables fins ont été estimées par la loi de Darcy entre 3.14 × 10⁻⁵ et 1.80 × 10⁻⁴ m/s, soit environ un ordre de grandeur au-dessus de celles issues des tests de pompage sur site. L’exploitation substantielle des eaux souterraines sur une longue période dans la zone d’étude peut accélérer les écoulements souterrains, menant à une surestimation de la perméabilité de l’aquifère.

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Resumen Los acuíferos están generalmente compuestos de capas muy permeables que pueden conducir una cantidad considerable de agua subterránea. Tradicionalmente, se ponen en correlación las unidades acuíferas a través del concepto de litoestratigrafía. Para los acuíferos de baja-permeabilidad, es difícil de definir la distribución espacial de unidades hidrogeológicas y este estudio intenta usar modelamiento geoquímico para identificar las direcciones del flujo de agua subterránea en un área de Taiwán. Se realizó el análisis geoquímico múltiple, incluyendo la química del agua subterránea, la composición de isótopos estables de hidrógeno, oxígeno y carbono, y el contenido de radiocarbono. Usando estos parámetros como limitantes de modelos geoquímicos, la conexión hidráulica se examinó entre pares de pozos posiblemente interrelacionados, a lo largo de cuatro cortes transversales seleccionados y de acuerdo con esto se estableció el modelo conceptual del agua subterránea. El modelo resultante sugiere que la conexión hidráulica entre los acuíferos deba interrelacionarse con el concepto de estratigrafía cronológica, sobre todo para los acuíferos sin consolidar de baja permeabilidad. Usando la ley de Darcy, se estimaron las conductividades hidráulicas de los acuíferos de arena fina obteniendo valores entre 3.14 × 10⁻⁵ y 1.80 × 10⁻⁴ m/s, las cuales son aproximadamente un orden de magnitud mayor, que aquéllos obtenidos in situ por las pruebas de bombeo. La extracción considerable de agua subterránea durante un periodo largo en el área estudiada, podría acelerar el flujo de agua subterránea, llevando a una sobrestimación de la permeabilidad en los acuíferos.

     

Sources of dissolved solids and water in Wadi Al Bih aquifer,Ras Al Khaimah Emirate,United Arab Emirates

Regional brines that underlie the potable groundwater appear to be responsible for the increase in dissolved solids in the Wadi Al Bih aquifer in the Ras Al Khaimah Emirate, United Arab Emirates. In this karstic carbonate aquifer, groundwater extraction exceeds recharge and the reduced heads can induce transport of underlying brines into the potable water aquifer. Increasing dissolved solids with time threatens the continued use of groundwater for agricultural and domestic uses. The potential of intrusion of seawater, dissolution of minerals, or intrusion of regional brines as a source of these solutes were evaluated based on groundwater samples collected in April and September 1996 from the Wadi Al Bih well field and isotope data from previously collected samples. Hydrogeologic conditions and solute modeling suggest the dominant source of solutes in the Wadi Al Bih aquifer is most likely an underlying regional brine. The pervasive presence of tritium is consistent with recent (since 1960s) recharge in the drainage basin, thus, the solutes and water appear to be from different sources. The chemical and isotopic data are also consistent with enhanced groundwater recharge associated with dams constructed to reduce flooding.

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Résumé Dans l’aquifère de Wadi Al Bih, dans l’Emirat de Ras Al Khaimah (Emirats Arabes Unis), les eaux sursalées présentes sous les eaux souterraines potables paraissent responsables de l’augmentation en solides dissous. Dans cet aquifère carbonaté karstique, l’exploitation des eaux souterraines est supérieure à la recharge, et la baisse des niveaux piézométriques peut engendrer une remontée des eau sursalées vers la ressource en eau potable. L’augmentation des solides dissous dans le temps met en danger la pérennité de l’utilisation des eaux souterraines pour l’agriculture et les besoins domestiques. Les potentiels de l’intrusion d’eau de mer, de la dissolution des minéraux et de l’intrusion d’eaux sursalées régionales en tant que sources de ces solutés ont été évalués sur la base d’échantillons prélevés en avril 1996 sur le champ captant de Wadi Al Bih, et de données isotopiques acquises antérieurement. Les conditions hydrogéologiques et les modélisations de solutés suggèrent que la source majeure des solutés la plus vraisemblable est une eau sursalée sous-jacente à l’échelle régionale, dans le cas de l’aquifère de Wadi Al Bih. L’omniprésence du tritium concorde avec une réalimentation récente (depuis les années 1960) sur le bassin versant, c’est pourquoi l’eau et les solutés paraissent provenir de sources différentes. Les données chimiques et isotopiques concordent également avec une réalimentation accrue des eaux souterraines, liée à la construction récente de digues pour réduire les inondations.

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Resumen El incremento de sólidos disueltos en el acuífero Wadi Al Bih, en el Emirato Ras Al Khaimah, Emiratos árabes Unidos, parece deberse a la existencia de salmueras regionales, subyacentes a las aguas subterráneas potables. En este acuífero carbonatado kárstico, la extracción de agua subterránea supera la recarga y el descenso de niveles puede provocar el transporte de las salmueras hacia las aguas potables del acuífero. El incremento temporal en sólidos disueltos amenaza el uso continuo de agua subterránea para usos agrícolas y domésticos. Se ha evaluado el potencial de intrusión marina, disolución de minerales o intrusión de salmueras regionales como una fuente de estos solutos, a partir de muestras de agua subterránea recogidas en abril y septiembre de 1996 en el campo de pozos de Wadi Al Bih y de datos isotópicos de muestreos anteriores. Las condiciones hidrogeológicas y el modelo de solutos sugiere que la fuente dominante de solutos en el acuífero Wadi Al Bih son probablemente las salmueras subyacentes. Los datos químicos e isotópicos son también consistentes con un aumento de la recarga de agua subterránea asociado con la construcción de presas para reducir inundaciones.

     

Spatial assessment of groundwater use potential for irrigation in Teesta Barrage Project in Bangladesh

In Bangladesh, development of the groundwater resource for irrigation is a vital component of the government’s agricultural strategy to attain food self-sufficiency. Amidst reports of falling groundwater levels in many parts of Bangladesh, the potential of groundwater use has been investigated in the Teesta Barrage Project (TBP) in which large-scale groundwater development for dry-season irrigation has taken place in the recent past. Several techniques and tools have been applied such as the combination of analysis of groundwater hydrographs and mathematical modelling to derive key hydrogeological variables, calculation of net irrigation requirement and the use of geographical information systems. The results show that the economically attractive high-yielding variety (HYV) Boro (dry season) rice cultivation during the groundwater irrigation season may not be sustained in large parts of the project area if the current trends in abstraction are continued. However, due to spatial variation in abstraction, nine thanas (sub-districts)—out of a total of 21 in the project area—may still be able to expand groundwater-irrigated cropland and a groundwater-use potential of 40 mm/year may be created if deep-set shallow tubewells are used by the farmers to abstract groundwater. A structured approach, based on zoning of potential areas, is recommended for groundwater development and use.

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Resumen En Bangladesh, el desarrollo de las aguas subterráneas para riego es un componente vital del la estrategia agrícola del Gobierno para obtener la auto-suficiencia alimentaria. Un informe intermedio evidencia un descenso de los niveles de aguas subterráneas en muchas partes de Bangladesh, el uso potencial de aguas subterránea ha sido investigado en el Proyecto Tessta Barrage (TBP) en el cual ha tenido lugar el desarrollo de las aguas subterráneas a gran escala para el riego en la estación seca en un pasado reciente. Se ha aplicado algunas técnicas y herramientas, como la combinación del análisis de datos gráficos de aguas subterráneas y modelización matemática para obtener variables hidrogeológicas clave, el cálculo de la necesidad neta de riego y el uso de Sistemas de Información Geográfica. El resultado muestra que el cultivo, económicamente atractivo, de arroz HYV Boro (estación seca) durante la estación de riego con aguas subterráneas puede no ser sostenible en gran parte del área del proyecto si continúan las tendencias actuales en las extracciones. Sin embargo, debido a la variación espacial en la extracción, nueve thanas (subdistritos)—de un total de 21 en el área del Proyecto—pueden todavía sufrir un aumento de la tierra cultivable regada con aguas subterráneas y que se puede asumir un uso potencial de agua subterránea de 40 mm/estación si los granjeros utilizan sondeos someros instalados en fosas para la extracción. Se recomienda una aproximación estructurada para el desarrollo y uso de las aguas subterráneas, basada en la zonificación de áreas potenciales.

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Résumé Au Bangladesh, l’exploitation des ressources en eau souterraines pour l’irrigation est une composante vitale de la stratégie agricole gouvernementale pour atteindre l’auto-suffisance alimentaire. Parmi les baisses de niveaux piézométriques rapportées sur de nombreuses régions du Bangladesh, le potentiel d’utilisation des eaux souterraines a été étudié sur le Projet de Barrage de Teesta (TBP), où, dans un passé récent, les eaux souterraines ont été massivement exploitées pour l’irrigation en saison sèche. De nombreux outils et techniques ont été utilisés, comme l’analyse combinée des chroniques piézométriques et des modèles mathématiques pour dégager les variables hydrogéologiques clés, le calcul des besoins nets pour l’irrigation, et l’utilisation des systèmes d’information géographique. Les résultats démontrent que la culture en saison d’irrigation de la variété de riz HYV Boro (saison sèche), économiquement attrayante, n’est potentiellement pas viable sur de nombreux secteurs de la zone étudiée si les prélèvements perdurent selon la tendance actuelle. Cependant, du fait de la variation spatiale des prélèvements, neuf thanas (sous-districts)—sur un total de 21 sur le secteur d’étude—pourraient encore augmenter les surfaces irriguées, et une disponibilité en eau de 40 mm/saison pourrait être générée si les agriculteurs utilisaient des puits peu profonds pour exploiter les ressources souterraines. Une approche structurée, basée sur le zonage des secteurs potentiels, est recommandée pour l’exploitation et l’utilisation des eaux souterraines.

     

Salinization of groundwater in the Nefzawa oases region,Tunisia: results of a regional-scale hydrogeologic approach

Groundwater pumped from the semi-confined Complexe Terminal (CT) aquifer is an important production factor in irrigated oases agriculture in southern Tunisia. A rise in the groundwater salinity has been observed as a consequence of increasing abstraction from the aquifer during the last few decades. All sources of contamination were investigated using hydrochemical data available from the 1980s. Water samples were taken from drains and observation wells tapping both the CT and the phreatic aquifers and analyzed with regard to chemistry, temperature, isotopes and other environmental tracers. Local salinization mechanisms are suggested, i.e. the upwelling of saline water from the underlying, confined Continental Intercalaire (CI) aquifer, as well as backflow of agricultural drainage water. At this stage, the main salt pan, the Chott el Djerid, is not a contamination source. A finite difference model was also developed to simulate groundwater flow and contaminant transport in the oases. Calibration for the period 1950–2000 was carried out in order to adjust geological and chemical system parameters. The simulation of planned extraction projects predicts a worsening of the present situation. Maintenance of the present abstraction regime will not reduce or stop the salinity increase.

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Résumé L’eau souterraine pompée dans l’aquifère semi-captif du Complexe Terminal (CT) est un facteur de production important pour l’agriculture des oasis irriguées du sud de la Tunisie. Une augmentation de la salinité de l’eau souterraine a été considérée comme la conséquence de l’augmentation des prélèvements dans l’aquifère au cours des dernières décades. Toutes les sources de contamination ont été étudiées à l’aide de données hydro-chimiques disponibles depuis les années 80. Des échantillons d’eau ont été prélevés dans des drains et des puits d’observation qui captent à la fois le CT et les aquifères phréatiques; la chimie, la température, les isotopes ainsi que d’autres traceurs environnementaux ont été analysés. Des processus locaux de salinisation sont proposés, comme par exemple la remontée d’eau salée en provenance de l’aquifère captif du Continental Intercalaire (CI) sous-jacent, ainsi que le reflux des eaux du drainage agricole. A ce stade, le principal marais salé, le Chott el Djerid, n’est pas une source de contamination. Un modèle aux différences finies a également été élaboré pour simuler les écoulements souterrains et le transport de contaminants dans les oasis. Une calibration pour la période 1950–2000 a été effectuée afin d’ajuster les paramètres des systèmes géologique et chimique. La simulation de projets planifiés d’extraction prédit une aggravation de la situation actuelle. La conservation du régime d’extraction actuel ne réduira ou ne stoppera pas l’augmentation de la salinité.

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Resumen El agua subterránea que se bombea del acuífero semi-confinado Terminal Complejo (CT) es un importante factor de producción en la agricultura de riego con oasis en el sur de Túnez. Se ha observado un incremento en la salinidad del agua subterránea como consecuencia de la abstracción creciente del acuífero durante las últimas décadas. Se investigaron todas las fuentes de contaminación usando datos hidroquímicos disponibles de la década de 1980s. Las muestras de agua se tomaron de drenajes y pozos de observación alojados tanto en el CT como los acuíferos freáticos y se analizaron en relación con química, temperatura, isótopos y otros trazadores ambientales. Se sugieren mecanismos de salinización local, i.e. el ascenso de agua salada a partir del acuífero confinado subyacente Intercalado Continental (CI), así como también retorno de flujo de agua de drenaje agrícola. En esta etapa, el pan salado principal, el Chott el Djerid, no es una fuente de contaminación. También se desarrolló un modelo de diferencia finita para simular el flujo de agua subterránea y el transporte de contaminantes en los oasis. Se calibró el modelo para el periodo 1950–2000 para de este modo ajustar parámetros del sistema químico y geológico. La simulación de los proyectos de extracción que se han planeado predice un empeoramiento de la situación actual. El mantenimiento del régimen de extracción actual no reducirá o detendrá el incremento de salinidad.

     

Climate-induced hydrological impacts on the groundwater system of the Pingtung Plain,Taiwan

The Pingtung Plain is one of the most important groundwater-resource areas in southwestern Taiwan. The overexploitation of groundwater in the last two decades has led to serious deterioration in the quantity and quality of groundwater resources in this area. Furthermore, the manifestation of climate change tends to induce the instability of surface-water resources and strengthen the importance of the groundwater resources. Southwestern Taiwan in particular shows decreasing tendencies in both the annual amount of precipitation and annual precipitation days. To effectively manage the groundwater resources of the Pingtung Plain, a numerical modeling approach is adopted to investigate the response of the groundwater system to climate variability. A hydrogeological model is constructed based on the information from geology, hydrogeology, and geochemistry. Applying the linear regression model of precipitation to the next two decades, the modeling result shows that the lowering water level in the proximal fan raises an alarm regarding the decrease of available groundwater in the stress of climate change, and the enlargement of the low-groundwater-level area on the coast signals the deterioration of water quantity and quality in the future. Suitable strategies for water-resource management in response to hydrological impacts of future climatic change are imperative.

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Resumen La llanura Pingtung constituye uno de los recursos de aguas subterráneas más importantes en el Suroeste de Taiwan. La sobreexplotación de las aguas subterráneas en las dos últimas décadas ha dado lugar a un serio deterioro de la calidad y la cantidad de los recursos subterráneos en esta área. En particular el Suroeste de Taiwan muestra una tendencia decreciente en las cantidades de precipitación y en los días anuales de lluvia. Para gestionar de forma efectiva los recursos subterráneos en la Llanura Pingtung, se ha utilizado un modelo numérico aproximado para investigar la respuesta de las aguas subterráneas a la variabilidad climática. Un modelo hidrogeológico se construye a partir de la información geológica, hidrogeológica y geoquímica. Aplicando el modelo de regresión linear de la precipitación para las próximas dos décadas, el modelo resultante muestra que el descenso de los niveles de agua en el abanico proximal es alarmante, observándose el descenso del agua subterránea disponible en la presión del cambio climático, y el crecimiento del área de descensos de niveles de agua subterránea en la costa apunta a un deterioro de la cantidad y calidad del agua subterránea en el futuro. Se imponen pues, estrategias apropiadas para la gestión de los recursos hídricos en respuesta a los impactos hidrológicos del futuro cambio climático.

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Résumé La plaine de Pingtung est l’une des plus importantes zones de ressource en eau souterraine du Sud-Ouest de Taiwan. La surexploitation de l’eau souterraine durant les deux dernières décennies a conduit à une sérieuse détérioration de la quantité et de la qualité des ressources en eau souterraine dans cette zone. De plus, la manifestation des changements climatiques tend à induire une instabilité des ressources en eau souterraine et renforce l’importance des ressources en eau souterraine. Le Sud-Ouest de Taiwan montre, en particulier, des précipitations annuelles et des nombres annuels de jour de pluie à la baisse. Pour gérer efficacement les ressources en eau souterraine de la Plaine de Pingtung, une approche par modélisation numérique est adoptée pour étudier la réponse du système hydrogéologique aux variabilités climatiques. La construction du modèle hydrogéologique est basée sur les informations géologiques, hydrogéologiques et géochimiques. En appliquant le modèle de régression linéaire aux précipitations pour les deux prochaines décades, le résultat de la modélisation montre que la baisse du niveau d’eau atteint un état alarmant au regard de la décroissance des eaux souterraines disponibles et la contrainte du changement climatique, tandis que l’extension de la zone de niveau bas des eaux souterraines à la cote indique une détérioration de la quantité et de la qualité de l’eau dans le futur. Des stratégies convenables pour la gestion des ressources en eau souterraine en réponse aux impacts hydrologiques de futurs changements climatiques sont impératifs.

     

Determination of specific yield using a water balance approach – case study of Torla Odha watershed in the Deccan Trap province, Maharastra State, India

Specific yield is an essential parameter for any groundwater management plan. Volumetric analysis in the domain of groundwater budgeting for the non-monsoon months has been undertaken for a typical watershed of the Deccan basalt province. The Torla Odha watershed covers an area of over 22 km² on a third-order tributary of the westerly flowing Bhima River. The watershed receives a normal annual rainfall of 643 mm. The entire water demand is supplied by dug wells, which penetrate a shallow aquifer. The specific yield was estimated by comparing the monthly net volume of water removed from the aquifer, with the volume of aquifer de-saturated, based on monthly water level data. The estimated specific yield ranges from 0.0019 in May to 0.0173 in November with an average value of 0.0093. A correlation of the groundwater levels with the detailed geology suggests that the higher specific yield value (0.017) corresponds to dewatering of the weathered zone within the shallow aquifer. The specific yield of the massive basalt immediately below the weathered zone varies from 0.0089 to 0.0103. The underlying vesicular basalt, which is dissected by sheet joints, has a relatively higher specific yield (0.0121). The massive basalt, which forms the base of the shallow aquifer system, has a lower specific yield from 0.0019 to 0.0022.

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Résumé Le débit spécifique est un paramètre essentiel pour tout plan de gestion des eaux souterraines. Les analyses volumétriques, dans le cadre des bilans hydriques des eaux en dehors des mois de mousson, ont été entreprises pour un bassin-versant typique de la province basaltique du Deccan. Le bassin-versant du Torla Odha couvre une superficie de 22 km², et alimente l’affluent du troisième ordre de la rivière Bhima, qui coule vers l’Ouest. La pluviométrie annuelle atteint 643 mm. Toute la demande en eau es assurée par des puits foncés pénétrant dans l’aquifère phréatique. Le débit spécifique a été estimé en comparant le volume net mensuel d’eau captée dans l’aquifère, avec le volume de l’aquifère dé-saturé, basé sur les données des niveaux piézométriques mensuels. Le débit spécifique estimé s’étend entre 0,0019 en Mai et 0.173 en Novembre; la moyenne se situe à 0,0093. Une corrélation entre les niveaux des eaux souterraines et la géologie, suggère que les débits spécifiques les plus importants (0,017) correspondent aux zones altérées de l’aquifère phréatique. Le débit spécifique du massif basaltique, immédiatement sous la zone altérée, varie entre 0,0089 et 0,0103. Le basalte vésiculaire, situé juste en dessous et traversé par des diaclases parallèles, possède un débit spécifique sensiblement plus élevé (0,0121). Le basalte massif, qui forme la base de l’aquifère phréatique, possède un débit spécifique moins important, compris entre 0,0019 et 0,0022.

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Resumen El rendimiento específico es un parámetro esencial para cualquier plan de manejo de aguas subterráneas. Se ha llevado a cabo el análisis volumétrico, en el entorno de balance de aguas subterráneas, para los meses sin monzón de una cuenca típica de la provincia de basaltos Deccan. La cuenca Rorla Odha cubre un área de 22 km² en un tributario de tercer orden del Río Bhima que fluye al oeste. La cuenca capta una lluvia anual normal de 643 mm. La totalidad de la demanda de agua es abastecida por pozos manuales que penetran un acuífero somero. Se estimó el rendimiento específico al comparar el volumen neto mensual de agua removido del acuífero con el volumen de agua de-saturado estimado a partir de datos de niveles de agua mensuales. Los valores estimados de rendimiento específico varían de 0.0019 en mayo a 0.0173 en noviembre con un valor promedio de 0.0093. La correlación de niveles de agua subterránea con la geología de detalle sugieren que el valor más alto (0.017) de rendimiento específico corresponden con el desaguado de la zona de intemperismo dentro del acuífero somero. El rendimiento específico del basalto masivo que se encuentra inmediatamente debajo de la zona de intemperismo varía de 0.0089 a 0.0103. El basalto vesicular subyacente, el cual está disectado por fracturas laminares, tiene un rendimiento específico relativamente más alto (0.0121). El basalto masivo, que forma la base del sistema de acuífero somero, tiene un rendimiento específico más bajo el cual varía de 0.0019 a 0.0022. Palabras clave: basalto Deccan. India. Rendimiento específico. Recarga de agua subterránea. Balance hídrico.

     

Hydrogeology of the Winnipeg Formation in Manitoba, Canada

The Winnipeg Formation is the basal sedimentary unit throughout much of southern and central Manitoba, Canada, where it forms a regional aquifer over most of its extent. This aquifer is an important source of water in southeastern Manitoba and in Manitoba’s Interlake area, but in most other areas, groundwater within the aquifer is saline. Chemical and isotopic evidence indicate the presence of groundwaters of three different origins: (1) basin brines; (2) modern meteoric recharge; and (3) subglacial recharge that occurred during the late Pleistocene. Hydraulic head and sedimentary facies distributions indicate that the flow system in parts of the area is not in a state of equilibrium and saline waters will encroach on areas currently occupied by freshwater in some areas, while in other areas, freshwater will replace saline water. These features must be considered in groundwater resource management, as groundwater withdrawals will likely hasten these processes.

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Resumen La Formación Winnipeg es la unidad sedimentaria basal en la mayor parte de Manitoba central, Canadá, donde forma un acuífero regional en la mayor parte de su extensión. Este acuífero es una fuente importante de agua en el Sureste de Manitoba y el área de entrelagos de Manitoba, pero en la mayoría de las otras zonas del acuífero, el agua es salina. Las evidencias químicas e isotópicas indican que existen aguas subterráneas de tres orígenes diferentes: (1) salmueras de cuenca; (2) recarga meteórica actual; y (3) recarga subglacial ocurrida durante el Pleistoceno Superior. Los niveles piezométricos y la distribución de las facies sedimentarias indican que el sistema de flujo no se encuentra en estado de equilibrio en parte del área y las aguas salinas irán invadiendo áreas actualmente ocupadas con aguas dulces, mientras que en otras zonas el agua dulce está reemplazando al agua salina. Estos hechos deben ser considerados en la gestión de las aguas subterráneas como recurso, ya que las extracciones de agua acelerarán probablemente estos procesos.

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Résumé La Formation de Winnipeg est l’unité sédimentaire de base sur la plus grande partie du Sud et du centre du Manitoba au Canada, où elle forme un aquifère régional sur pratiquement toute son extension. Cet aquifère représente une ressource en eau importante dans le Sud-Est du Manitoba et dans les zones d’entre les lacs, mais salée dans la plus part des autres zones. Les indications isotopiques et chimiques permettent de distinguer trois différentes origines des eaux souterraines: (1) les saumures de bassin; (2) la recharge météoritique moderne; (3) la recharge sub-glaciaire qui est apparue durant le Pléistocène récent. Les charges hydrauliques et la distribution des faciès sédimentaires indiquent que le système d’écoulement dans certaines zones n’est pas dans un état d’équilibre et que les eaux salées empièteront sur des zones d’eau douce, tandis que dans d’autres zones l’eau douce remplacera les eaux salées. Ces aspects doivent être considérés dans la gestion des ressources en eau souterraine, car le prélèvement des eaux souterraines pourrait accentuer ces processus.

     

Hydrogeology and hydrochemistry of a shallow alluvial aquifer,western Saudi Arabia

A hydrogeological and hydrochemical study was conducted on a shallow alluvial aquifer, Wadi Wajj, in western Saudi Arabia to assess the influence of protection measures on groundwater quality. The hydrochemistry was assessed up-gradient and down-gradient from potential contamination sources in the main city in dry and wet seasons prior to and after the installation of major drainage and wastewater facilities. Wadi Wajj is an unconfined aquifer where water is stored and transmitted through fractured and weathered bedrock and the overlying alluvial sediments. Natural recharge to the aquifer is about 5% of rainfall-runoff. Hydrochemistry of the aquifer shows temporal and seasonal changes as influenced by protection measures and rainfall runoff. Both groundwater and runoff showed similar chemical signature, which is mostly of chloride-sulfate-bicarbonate and sodium-calcium type. Groundwater downstream of the city, though of poorer quality than upstream, showed significant improvement after the installation of a concrete runoff tunnel and a wastewater treatment plant. Concentrations of many of the groundwater quality indicators (e.g., TDS, coliform bacteria, and nitrate) exceed US Environmental Protection Agency drinking-water standards. Heavy metal content is, however, within allowable limits by local and international standards. The chemical analyses also suggest the strong influence of stream runoff and sewage water on the groundwater quality.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé Une étude hydrogéologique et géochimique a été menée sur l’aquifère phréatique alluviale Wadi Wajj dans l’Ouest de l’Arabie Saoudite afin d’évaluer l’influence de mesures de protection sur la qualité de l’eau souterraine. L’hydrogéochimie de l’eau a été étudiée en amont et en aval de sources potentielles de contamination dans la ville principale, pendant les saisons sèches et humides, avant et après l’installation de réseaux majeurs de drainage et d’eaux usées. L’aquifère Wadi Wajj est libre, l’eau est stockée et s’écoule dans les sédiments alluviaux et dans le socle fracturé et altéré sous-jacent. La recharge naturelle de l’aquifère représente 5% des eaux de pluie et de ruissellement. L’hydrogéochimie de l’eau de l’aquifère montre que les changements saisonniers et temporaires sont influencés par les mesures de protection et par le ruissellement des eaux pluviales. L’eau souterraine et l’eau de ruissellement ont présenté le même faciès chimique, de type bicarbonatée-sulfatée-chlorée et calco-sodique. En aval de la ville, l’eau souterraine, bien que de moins bonne qualité qu’en amont, a présenté une nette amélioration après l’installation d’un système de récupération et d’une station de traitement des eaux usées. Les concentrations de plusieurs paramètres indicateurs de la qualité de l’eau (tels que la charge totale dissoute, les coliformes, et les nitrates) dépassent les normes de potabilité de l’eau de consommation de l’agence américaine de la protection de l’environnement. Les teneurs en métaux lourds en revanche n’excèdent pas les normes locales et internationales. Les analyses chimiques indiquent aussi l’influence importante de l’écoulement par ruissellement et des eaux usées sur la qualité de l’eau souterraine.

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Resumen Un estudio hidrogeológico e hidroquímico fue hecho en un acuífero somero de Wadi Wajj, en Arabia Saudi oeste para evaluar la influecia de medidas de protección en la calidad del agua subterránea. La hidroquímica fue evaluada gradiente-arriba y gradiente-abajo de las fuentes potenciales de contaminación de la ciudad principal durante las estaciones seca y lluviosa, antes y después de la instalación de sistemas principales de drenaje y aguas servidas. Wadi Wajj es un acuífero no-confinado donde el agua es almacenada y transmitida a través de roca fracturada y meteorizada, y los sedimentos aluviales que le sobreyacen. La recarga natural del acuífero es de cerca del 5% de la precipitación-escorrentía. La hidroquímica del acuífero muestra cambios temporales y estacionales influenciados por las medidas de protección y la escorrentía de precipitación. Ambas, agua subterránea y escorrentía mostraron composición química similar, siendo mayoritariamente de tipos cloruro-sulfato-bicarbonato y sodio-calcio. El agua subterránea aguas arriba de la ciudad, aunque de calidad más pobre que aguas abajo, mostró significante mejoría después de la instalación de un tunel de concreto para escorrentía y una planta de tratamiento de aguas servidas. Las concentraciones de muchos de los indicadores de calidad de agua subterránea (e.g., STD, coliformes, y nitrato) exceden los estándares de la Agencia de Protección Ambiental USA para agua potable. El contenido de metales pesados está, sin embargo, dentro de los límites permisibles de los estándares locales e internacionales. Los análisis químicos también sugieren la fuerte influencia de la escorrentía y aguas residuales en la calidad del agua subterránea.

     

Strontium-Isotope Studies Of Chloride-Contaminated Groundwater,Denmark

Saline groundwater has three principal origins in Denmark: 1) Seawater infiltration into nearcoastal aquifers, 2) saline formation water in aquifers of marine sedimentary origin, and 3) intrusion of brines from deep saline formation waters and evaporitic deposits in the subsurface. Strontium-isotope studies of chloride-contaminated groundwater from a Quaternary sandy aquifer at Stautrup Waterworks, Denmark, indicate that the groundwater is heavily influenced by saline formation water from underlying Oligocene marine mica clay. Thus, strontium isotopic hydrochemical criteria were successfully used to identify the sources of saline groundwater.

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RESUMEN: La salinidad en las aguas subterráneas de Dinamarca tiene tres orígenes principales: 1) Infiltración de agua marina en acuíferos costeros, 2) agua de formación salina en acuíferos de origen sedimentario marino, y 3) intrusión de salmueras procedentes de aguas salinas de formaciones profundas y de depósitos evaporíticos subterráneos. Estudios isotópicos del estronico en las aguas subterráneas contaminadas or cloruros en un acuífero arenoso Cuaternario en Stautrup Waterworks, Dinamarca, indican que el agua está fuertement influenciada por el agua de formación salina correspondiente a una capa inferior de micas arcillosas oligocénicas. Por tanto, los criterios hidroquímicos isotópicos se pudieron utilizar satisfactoriamente para identificar las fuentes de salinidad de las aguas subterráneas.

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RéSUMé: La salinité des aux souterraines du Danemark possède trois origines principales: 1) l'intrusion d'eau de mer dans les aquifères littoraux, 2) les eaux connées des sédiments marins constituant l'aquifère, 3) la remontée dans les aquifères superficiels de saumures provenant d'eaux connées de sédiments et de formations évaporitiques profonds. L'étude des isotopes du strontium d'eaux souterraines chargées en chlorures d'un aquifère sableux du Quaternaire du champ captant de Stautrup (Danemark) montre que le chimisme des eaux souterraines est fortement marqué par les eaux connées des argiles micacées marines sous-jacentes de l'Oligocène. Des critères hydrochimiques des isotopes du strontium ont par conséquent permis d'identifier les sources de la salinité d'eaux souterraines.

     

Solute and isotope constraint of groundwater recharge simulation in an arid environment,Abu Dhabi Emirate,United Arab Emirates

A simple, well-constrained simulation of solute increases in a downgradient direction was used in the shallow unconfined aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate (United Arab Emirates). The simulation indicates that the observed exponential increase in solute concentrations results from a combination of upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites, and groundwater losses by evaporation. Groundwater recharge and discharge flux in unconfined regional aquifers in arid regions commonly are difficult to estimate because there are few constraints on the flux of water lost or gained from the system. Total dissolved solids (TDS) and deuterium isotopes (δ²H) in groundwater are used to constrain estimated fluxes to the shallow aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate. Vertical upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites accounts for solute increases along approximately the first 80 km of the simulated flow path, but a combination of upward solute transport and evaporation is necessary to explain observed solute concentrations beyond 80 km. Mobilization and transport of solutes in the unsaturated zone by recharging precipitation is not a significant factor.

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Résumé Une simulation simple et bien contrainte de l’augmentation des solutés dans la direction de l’écoulement a été réalisée sur l’aquifère phréatique et libre de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi (émirats Arabes Unis). La simulation indique que l’augmentation observée de solutés, de forme exponentielle, est le produit de la combinaison du transport ascendant de solutés provenant des mudstones et des évaporites sous-jacents, et de l’évaporation des eaux souterraines. La recharge des eaux souterraines et les flux de vidange dans les aquifères régionaux libres des régions arides sont habituellement difficiles à estimer du fait du peu de contraintes agissant sur la perte ou le gain d’eau dans le système. La charge dissoute totale (TDS, en anglais) et les isotopes deutérium (δ²H) des eaux souterraines sont utilisés pour contraindre l’estimation des flux en direction de l’aquifère phréatique de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi. Le transport vertical ascendant des solutés à partir des mudstones et des évaporites fait parti des processus qui concentrent les solutés approximativement le long des 80 premiers kilomètres du trajet des écoulements simulés, mais une combinaison du transport ascendant des solutés et de l’évaporation est nécessaire pour expliquer les concentrations observées en soluté au delà des 80 km. La mobilisation et le transport des solutés par les précipitations efficaces dans la zone non saturée ne représentent pas des facteurs significatifs.

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Resumen Se utilizó una simulación simple y muy restringida, de incrementos de soluto en la dirección del flujo, en el acuífero libre poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi, (Emiratos árabes Unidos). La simulación indica que el aumento exponencial observado en las concentraciones del soluto, resulta de una combinación de transporte ascendente de solutos desde las evaporitas y lodolitas subyacentes, y por pérdidas del agua subterránea por evaporación. Los flujos de recarga y descarga de agua subterránea, en los acuíferos libres regionales en regiones áridas, normalmente son difíciles estimar, porque hay algunas restricciones en el flujo de agua perdido o ganado por el sistema. Los sólidos disueltos totales (TDS) y los isótopos de deuterio (δ²H) en el agua subterránea, se usan para forzar los flujos estimados hacia el acuífero poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi. El transporte ascendente vertical de solutos desde las lodolitas y evaporitas subyacentes, involucra los aumentos del soluto a lo largo de aproximadamente los primeros 80 Km. de la dirección de flujo simulada, pero es necesaria una combinación de transporte ascendente del soluto y la evaporación para explicar las concentraciones del soluto observadas más allá de 80 Km. La movilización y transporte de solutos en la zona no saturada, por recarga debida a precipitación, no es un factor significante.

     

Remote sensing and GIS for mapping groundwater recharge and discharge areas in salinity prone catchments,southeastern Australia

Identifying groundwater recharge and discharge areas across catchments is critical for implementing effective strategies for salinity mitigation, surface-water and groundwater resource management, and ecosystem protection. In this study, a synergistic approach has been developed, which applies a combination of remote sensing and geographic information system (GIS) techniques to map groundwater recharge and discharge areas. This approach is applied to an unconfined basalt aquifer, in a salinity and drought prone region of southeastern Australia. The basalt aquifer covers ~11,500 km² in an agriculturally intensive region. A review of local hydrogeological processes allowed a series of surface and subsurface indicators of groundwater recharge and discharge areas to be established. Various remote sensing and GIS techniques were then used to map these surface indicators including: terrain analysis, monitoring of vegetation activity, and mapping of infiltration capacity. All regions where groundwater is not discharging to the surface were considered potential recharge areas. This approach, applied systematically across a catchment, provides a framework for mapping recharge and discharge areas. A key component in assigning surface and subsurface indicators is the relevance to the dominant recharge and discharge processes occurring and the use of appropriate remote sensing and GIS techniques with the capacity to identify these processes.

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Résumé Sur un bassin versant, l’identification des zones d’alimentation et des aires d’émergence des eaux souterraines est capitale pour mettre en œuvre des stratégies de réduction de la salinité, de gestion des eaux souterraines et superficielles, et de protection des écosystèmes. Une approche synergique a été développée, sur la base de recherches existantes pour cartographier de manière systématique les zones de recharge et d'émergence. Elle combine des techniques de télédétection et de Systèmes d’Information Géographique, dans le but de cartographier les zones d’alimentation et d’émergence. Ces techniques ont été appliquées à un aquifère basaltique libre, dans un secteur sujet à la sécheresse et à la salinité du Sud-Est australien. L’aquifère considéré couvre environ 11,500 km² d’une région essentiellement agricole. Un inventaire des processus hydrogéologiques locaux a conduit à l’établissement d’une série d’indicateurs superficiels et subsuperficiels des zones d’alimentation et d’émergence. Plusieurs méthodes de télédétection et de SIG furent alors utilisées pour cartographier ces indicateurs de surface, y compris les analyses de terrain, le suivi de l’activité de la végétation et la cartographie des capacités d’infiltration. Toutes les régions en dehors des zones d'émergence sont considérées commes des zones d'alimentation potentielles. Un des composants clés de l’attribution des indicateurs superficiels et subsuperficiels est la concordance avec les processus majeurs d’alimentation et de prélèvement entrant en jeu, et l’utilisation de méthodes de télédétection et SIG adaptées permettant d’identifier ces processus.

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Resumen La identificación de áreas de descarga y recarga de agua subterránea es crítica para la implementación de estrategias efectivas relacionadas con mitigación de salinidad, gestión de recursos de agua subterránea y agua superficial, y protección de ecosistemas. En este estudio se ha desarrollado un enfoque sinérgico apoyándose en investigación existente el cual aplica una combinación de técnicas de sistemas de información geográfico (SIG) y sensores remotos para cartografiar áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Este enfoque se aplica a un acuífero de basalto no confinado en una región del sureste de Australia propensa a sequía y salinidad. El acuífero de basalto cubre aproximadamente 11,500 km² en una región con agricultura intensiva. Una revisión de los procesos hidrogeológicos locales permitió el establecimiento de una serie de indicadores superficiales y subterráneos de áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Luego se utilizaron varias técnicas de SIG y sensores remotos para cartografiar estos indicadores superficiales incluyendo: análisis del terreno, monitoreo de la actividad de la vegetación, y cartografiado de la capacidad de infiltración. Todas las regiones donde el agua subterránea no descarga en la superficie fueron consideradas áreas potenciales de recarga. Este enfoque que se ha aplicado sistemáticamente a través de la cuenca aporta un marco para la cartografía de áreas de recarga y descarga. Un componente clave en la asignación de indicadores superficiales y subterráneos lo constituye la relevancia a los procesos dominantes de recarga y descarga que ocurren y el uso de técnicas apropiadas de SIG y sensores remotos con la capacidad para identificar esos procesos.

     

Water resources and geomorphological characteristics of Tushka and west of Lake Nasser, Egypt

The water level fluctuations and geomorphology of Lake Nasser reservoir in Tushka area, Egypt, has its own bearing on the local hydrogeological regime. Comparison of the available data concerning the submerged bottom elevations of Lake Nasser with the static water levels of the groundwater wells reaching the deeper horizons of the Nubia Sandstone aquifer, suggests that Lake Nasser acts mostly as an influent stream. However, in some cases, when the static water levels of some deep water-bearing horizons reach levels above those at the bottom of the lake, water flows from the groundwater reservoirs towards the river which acts as an effluent stream. The constructed equipotentiometric map confirms this conclusion as it indicated that the maximum potentiometric level was attained to the northwestern part of Lake Nasser area, whereas the minimum potentiometric level was encountered to the southeast of this area. Hence, the groundwater flow is generally towards Lake Nasser. However, in some instances, it also flows in an adverse direction. The Piper trilinear diagram revealed the existence of four hydrochemical facies reflecting the quality of the fresh water of Lake Nasser, the slightly saline original water quality of the Nubia aquifer and the mixing facies with no dominant water types.

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Resumen Las fluctuaciones del nivel de agua y la geomorfología del reservorio del Lago Nasser en el área de Tushka, Egipto, tienen su propia influencia sobre el régimen hidrogeológico local. La comparación de los datos disponibles acerca de las elevaciones del fondo sumergido de Lago Nasser, con los niveles estáticos de los pozos de agua subterránea que alcanzan los horizontes más profundos del acuífero de la Arenisca de Nubia, sugieren que el Lago Nasser actúa principalmente como una corriente influente. Sin embargo, en algunos casos, cuando los niveles estáticos de agua de algunos horizontes acuíferos profundos, alcanzan niveles por encima de aquellos del fondo del lago, el agua fluye desde los depósitos de agua subterránea hacia el río, que actúa entonces como una corriente efluente. El mapa equipotenciométrico construido confirma esta conclusión, pues indica que el nivel potenciométrico máximo estaba localizado en la parte noroccidental del área del Lago Nasser, mientras que el nivel potenciométrico mínimo se encontró al sudeste de esta área. Por lo tanto, el flujo del agua subterránea generalmente va hacia el Lago Nasser. Sin embargo, en algunos casos, también fluye en una dirección contraria. El diagrama trilinear de Piper, reveló la existencia de cuatro facies hidroquímicas que reflejan la calidad de agua dulce del Lago Nasser, la calidad de agua ligeramente salina original del acuífero de Nubia y las facies mezcladas sin tipos de agua dominantes.

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Résumé Les fluctuations du niveau d'eau ainsi que la géomorphologie du réservoir du lac Nasser dans la région de Tushka, Egypte influencent le régime hydrogéologique local. La comparaison de l'altitude des fonds du lac Nasser avec les niveaux phréatiques des puits qui atteignent les niveaux inférieurs de l'aquifère des grès Nubiens suggère que le lac Nasser agisse le plus souvent comme un cours d'eau infiltrant. Il arrive aussi, lorsque le niveau hydrostatique d'horizons aquifères profonds dépasse ceux de la base du lac, que l'eau des aquifères soutienne les eaux de la rivière qui agit alors comme un émissaire. Les cartes hydro isostatiques confirment cette conclusion en indiquant que le niveau maximum est atteint au Nord-Ouest de la région du lac Nasser et que le niveau minimum se trouve au Sud-Est de cette zone. Ainsi, les eaux souterraines se dirigent généralement en direction du lac Nasser. Mais, elles se dirigent parfois en direction inverse. Le diagramme de Piper montre l'existence de quatre faciès hydro chimiques, qui correspondent à l'eau douce du lac Nasser, à l'eau légèrement salée de l'aquifère Nubien, et les eaux mélangées sans types d'eaux dominants.

     

Characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems in the North China coal basin

A conceptual framework for characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems is presented, based on the features of the site conditions and analyses of the water bursting and mine inundation events of the North China coal basin. Comprehensive analyses of the hydrogeological conditions for establishment of the three-dimensional groundwater flow systems of the North China coal basin revealed different vertical hydraulic connection paths or channels. These connections include karst collapse columns, fault or fracture zones, buried weathering zones, and fracture networks in aquitards, within the multilayered groundwater flow systems. Also examined, was the effect of the primary features of the flow system and those different connection paths on water bursting and discharge into the underground coal mines. It was demonstrated that appropriately identifying and adequately understanding the three-dimensional multilayered groundwater flow systems and those various vertical hydraulic connection mechanisms are critical for appropriately preventing water bursting hazards and predicting water discharge into underground mines. A valuable guideline is presented on characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems.

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Resumen Un cadre de travail conceptuel pour la caractérisation du jaillissement et de la vidange des eaux dans les mines à plusieurs niveaux d'écoulement est présenté, basé sur les conditions et l'analyse sur site du jaillissement des eaux et des inondations dans les bassins charbonneux du Nord de la Chine. L'analyse compréhensive des conditions hydrogéologiques des systèmes d'écoulement tridimensionnel de ces bassins, révèle des trajets ou des chenaux qui sont autant de connections hydrauliques verticales. Ces connections comprennent des effondrement karstiques en colonne, des zones de fractures et de failles, des zones d'altération, des réseaux de fractures dans les aquitards, dans le système hydrogéologique multicouche. L'influence des caractéristiques primaires du système d'écoulement et de ces différentes connections sur le jaillissement et la vidange dans les mines, est également examiné. Il a été démontré que l'identification appropriée et la compréhension adéquate du système d'écoulement souterrain multicouche et tridimensionnel, et des mécanismes variés de connection hydraulique verticale est critiquée pour prévenir de manière appropriée les risques de jaillissement et de vidange dans les mines. Des guidelines valorisables sont présentées, pour la caractérisation du jaillissement et de la vidange dans de tels systèmes.

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Résumé Se presenta un marco conceptual para la de caracterización de la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas con sistemas de acuíferos de múltiples niveles, el cual se basa en las condiciones del sitio, análisis de la despresurización de agua e inundaciones de minas en la cuenca de carbón del norte de la China.Un análisis comprehensivo de las condiciones hidrogeológicas para el establecimiento de los sistemas de flujo de agua de tri-dimensionales en la cuenca de carbón del norte de la China ha revelado diferentes canales hidráulicos verticales. Estas conexiones incluyen columnas de karst colapsadas, fallas o zonas de fracturas, zonas de regalita hundida y redes de fracturas en zonas de poca permeabilidad dentro de los sistemas de flujo de múltiples niveles.También se investigó el efecto de los rasgos primarios del sistema de flujo y los diferentes canales conectivos sobre la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas. Se demostró que el entendimiento e identificación adecuada de los sistemas de acuíferos de múltiples niveles en tres dimensiones es crítico para prevenir apropiadamente la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas. Se presentan lineamientos valiosos en relación con la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas en sistemas de flujo de múltiple nivel.

     

Simulating the impacts of groundwater pumping on stream–aquifer dynamics in semiarid northwestern Oklahoma,USA

Visual MODFLOW, a numerical groundwater flow model, was used to evaluate the impacts of groundwater exploitation on streamflow depletion in the Alluvium and Terrace aquifer of the Beaver-North Canadian River (BNCR) in northwestern Oklahoma, USA. Water demand in semi-arid northwestern Oklahoma is projected to increase by 53% during the next five decades, driven primarily by irrigation, public water supply, and agricultural demand. Using MODFLOW’s streamflow routing package, pumping-induced changes in baseflow and stream leakage were analyzed to estimate streamflow depletion in the BNCR system. Simulation results indicate groundwater pumping has reduced baseflow to streams by approximately 29% and has also increased stream leakage into the aquifer by 18% for a net streamflow loss of 47%. The magnitude and intensity of streamflow depletion, however, varies for different stream segments, ranging from 0 to 20,804 m³/d. The method provides a framework for isolating and quantifying impacts of aquifer pumping on stream function in semiarid alluvial environments.

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Résumé  Visual MODFLOW, un modèle numérique d’écoulement des eaux souterraines, a été utilisé pour évaluer les impacts de l’exploitation de l’eau souterraine sur la réduction du régime de la rivière dans un aquifère d’alluvions et de terrasse de la Rivière canadienne Beaver-North (BNCR) au nord-ouest de l’Oklahoma, aux USA. La demande d’eau dans le nord-ouest semi-aride de l’Oklahoma devrait augmenter de 53% durant les cinq prochaines décennies, essentiellement du fait de l’irrigation, la demande en eau potable et la demande agricole. En utilisant le module numérique traitant les rivières dans MODFLOW, les changements sur le régime de base des cours d’eau induits par le pompage et la recharge par la rivière ont été analysés pour estimer la réduction du régime de la rivière du système BNCR. Les résultats de la simulation indiquent que le pompage de l’eau souterraine réduit le débit de base de la rivière de 18% pour une perte nette du débit de la rivière de 47%. L’importance et l’intensité de la réduction du débit de base, toutefois, varie selon le bief, de 0 à 20,840 m³/d. La méthode apporte un cadre pour isoler et quantifier les impacts sur le pompage de l’aquifère sur le fonctionnement de la rivière dans un environnement alluvial semi-aride.

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Resumen  El Visual MODFLOW, que es un modelo numérico de flujo de agua subterránea, fue usado para evaluar los impactos de la explotación del agua subterránea, en la disminución de la cantidad de flujo de una corriente superficial, relacionada al acuífero del aluvión y de la terraza del Río canadiense Beaver-North (BNCR) en Oklahoma del noroeste, EUA. Se proyecta que la demanda de agua aumentará en un 53%, en el sector semiárido de Oklahoma del noroeste, durante las próximas cinco décadas, principalmente debido a la irrigación, suministro de agua público, y la demanda agrícola. Mediante el uso del paquete especial para relaciones corriente superficial- acuífero (SFR) de MODFLOW, se analizaron cambios inducidos por el bombeo, tanto en el flujo base, como en el goteo del río, para estimar la disminución del flujo de la corriente en el sistema de BNCR. Los resultados de la simulación indican, que el bombeo de agua subterránea ha reducido el flujo base a los arroyos aproximadamente en un 29% y también ha aumentado el goteo del arroyo hacia el acuífero en 18%, resultando una pérdida neta del flujo del río de un 47%. La magnitud e intensidad de la disminución del flujo del río, sin embargo, varía en sus diferentes segmentos, oscilando de 0 a 20,804 m³/d. El método suministra un marco, para aislar y cuantificar los impactos del bombeo del acuífero, sobre el funcionamiento de una corriente superficial en los ambientes aluviales semiáridos.

     

Combining multivariate statistical analysis with geographic information systems mapping: a tool for delineating groundwater contamination

Multivariate Statistical Analysis (MSA) has successfully been coupled with geographic information system (GIS) mapping tools to delineate zones of aquifer contamination potential. While delineating contaminants is key to site remediation, it is often compromised by a poor understanding of hydrogeologic conditions, and by uncertainties in contaminant observations. MSA provides improved estimates of contamination potential by augmenting observed contaminant concentrations with auxiliary information from other water-quality parameters. GIS is useful for organizing and managing water-quality information by visually communicating large amounts of information. The proposed method first establishes appropriate areal extents, GIS coverages, and scales for displaying groundwater contamination concentrations of tritium and the volatile organic contaminants trichloroethylene (TCE) and tetrachloroethylene (PCE) at the Savannah River Site, South Carolina, USA. Principal components analysis is used to group variables that are most indicative of contamination potential. Tritium contamination potential is best represented as the combination of tritium with the cations Al, Mg, Na and total dissolved solids, while PCE contamination potential is predicted using PCE and Cl. Maps of contamination potentials for 1993–1995 geochemical data compare favorably with measured contaminant concentrations during 1999. Cluster analysis of water-quality data groups geochemical and contaminant concentrations into zones of homogeneous behavior.

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Resumen El Análisis Estadístico Multivariado (AEM) se ha acoplado con éxito con herramientas cartográficas del Sistema de Información Geográfico (SIG), para delinear zonas de potencial contaminación de acuíferos. En tanto que la delimitación de contaminantes es importante para recuperación del sitio, ella está a menudo amenazada por una comprensión pobre de las condiciones hidrogeológicas, y por las incertidumbres en las observaciones del contaminante. El AEM proporciona estimaciones mejoradas de contaminación potencial al aumentar las concentraciones observadas del contaminante, con la información auxiliar de otros parámetros de calidad de agua. El SIG es útil para organizar y manejar la información de calidad de agua, a través de la comunicación visual de cantidades grandes de información. El método propuesto establece primero magnitudes de área apropiadas, el área cubierta por el SIG, y las escalas para mostrar las concentraciones de contaminación del agua subterránea, a partir de tritio y de contaminantes orgánicos volátiles como tricloroetileno (TCE) y tetracloroetileno (PCE) en el sitio del Río al Savannah, Carolina del Sur, EE.UU. El análisis de componentes principales se usa para agrupar variables que son más indicativas de contaminación potencial. El potencial de contaminación Tritio, se representa mejor como la combinación de tritio con los cationes Al, Mg, Na y los sólidos disueltos totales, mientras la contaminación potencial de PCE se predice usando PCE y Cl. Los mapas de potenciales de contaminación para los datos geoquímicos de 1993–1995 se comparan favorablemente con las concentraciones medidas del contaminante durante 1999. El análisis de racimo hecho en datos de calidad de agua, agrupa concentraciones geoquímicas y concentraciones del contaminante en las zonas de comportamiento homogéneo.

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Résumé L’Analyse Statistique Multivariée (ASM) a été couplée avec succès avec les outils cartographiques des Sytèmes d’Information Géographique (SIG), afin de délimiter les zones à potentiel de contamination des aquifères. Alors que la connaissance de l’extension des contaminants est primordiale pour la réhabilitation des sites, elle est fréquemment compromise par une compréhension limitée du contexte hydrogéologique, et par les incertitudes sur l’observation des contaminants. L’ASM fournit une meilleure estimation du potentiel de contamination, en complétant les concentrations observées en contaminants par des informations annexes issues d’autres paramètres qualitatifs. Les SIG, par leurs capacités à conjuguer visuellement de grandes quantités d’information, sont utiles pour organiser et gérer les informations sur la qualité de l’eau. La première étape de la méthode proposée consiste à définir les limites spatiales appropriées, les couvertures SIG, ainsi que les échelles de visualisation des concentrations en contaminants des eaux souterraines, soit le tritium et les composés organiques volatiles trichloroéthylène et tetrachloroéthylène, sur le site de la rivière Savannah (Californie du Sud, USA). L’analyse en composantes principales est utilisée afin de regrouper les variables caractérisant de manière optimale le potentiel de contamination. Le potentiel de contamination en tritium est représenté le plus significativement par la combinaison du tritium, des cations Al, Mg et Na, et des solides dissous totaux (TDS). Le potentiel de contamination en tétrachloroéthylène est quant à lui estimé en utilisant le tetrachloroéthylène et Cl. Les cartes des potentiels de contamination établies sur les données géochimiques de la période 1993–1995 renvoient une image comparable aux concentrations en contaminants effectivement mesurées en 1999. Une analyse de groupement des données sur la qualité de l’eau rassemble les concentrations géochimiques et en contaminants dans des zones aux comportements homogènes.

     

Elevated iron and manganese concentrations in groundwater derived from the Holocene transgression in the Hang-Jia-Hu Plain, China

Groundwater in the Hang-Jia-Hu Plain, eastern China, is a drinking water source for local residents. Groundwater samples were collected from large-diameter hand-dug wells and boreholes for comparison of their iron and manganese concentrations, as well as other ions. The results show that iron and manganese concentrations are relatively high, exceeding drinking water standards by several times. Aquifer sediment samples contain abundant iron (30,790 mg kg⁻¹) and manganese (602 mg kg⁻¹). The results of correspondence factor analysis of the hydrochemistry data and the liberation experiments (using seawater and rainwater as leachants) suggest that iron and manganese in shallow groundwater come from the sediment in the Holocene aquifer. A reductive environment involving relatively high total dissolved solids and organic carbon in the aquifer system is favorable to iron and manganese transferring from the sediment to groundwater and stabilizes these ions. Shallow, large-diameter hand-dug wells provide oxic conditions that decrease the concentrations of dissolved iron and manganese in the well water.

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Résumé Dans la Plaine de Hang-Jia-Hu, à l’Est de la Chine, les eaux souterraines constituent une ressource en eau potable pour les autochtones. Des échantillons d’eau souterraine ont été prélevés dans des puits de large diamètre creusés manuellement et dans des forages, afin de confronter leurs concentrations en fer, manganèse et autres ions. Les résultats montrent des concentrations en fer et manganèse relativement hautes, souvent au-delà des limites de potabilité. Les échantillons de sédiments de l’aquifère contiennent des quantités abondantes de fer (30,790 mg kg⁻¹) et de manganèse (602 mg kg⁻¹). Les résultats de l’analyse factorielle de correspondance des données hydrochimiques et des tests de libération (utilisant l’eau de mer et l’eau de pluie comme vecteurs) suggèrent que le fer et le manganèse contenus dans les aquifères superficiels proviennent des sédiments de l’aquifère holocène. Un environnement réducteur, impliquant une quantité élevée de solides dissous et de carbone organique dans le système aquifère, est favorable à un transfert du fer et du manganèse depuis les sédiments vers les eaux souterraines, et stabilise les ions considérés. Les puits peu profonds, de large diamètre et creusés à la main créent des conditions oxydantes qui abaissent les concentrations en fer et manganèse dissous dans l’eau du puits.

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Resumen El agua subterránea en la Llanura de Hang-Jia-Hu, al este de China, es una fuente de agua potable para los residentes locales. Las muestras de agua subterránea fueron recogidas en pozos de gran diámetro excavados a mano y en pozos barrenados con el objeto de comparar las concentraciones de hierro y manganeso, y también las de otros iones. Los resultados muestran que las concentraciones de hierro y manganeso son relativamente altas, excediendo varias veces los límites para agua potable. Las muestras de sedimentos tomadas del acuífero contienen abundante hierro (30,790 mg kg⁻¹) y manganeso (602 mg kg⁻¹). Los resultados del análisis de correspondencia de los datos hidroquímicos y experimentos de liberación (usando agua de mar y agua de lluvia como lixiviantes) sugieren que los iones hierro y manganeso en las aguas subterráneas someras provienen de los sedimentos acuíferos del Holoceno. Un ambiente reductor que contiene relativamente alta cantidad de sólidos totales disueltos y carbono orgánico en el sistema acuífero es favorable para la transferencia de hierro y manganeso desde los sedimentos al agua subterránea y para estabilizar estos iones. Los pozos poco profundos, de gran diámetro, excavados a mano, suministran condiciones de oxidación que disminuyen las concentraciones de hierro y manganeso disueltos en el agua del pozo.

     

Aquifer storage capacity and maximum annual yield from long-term aquifer fluxes

Long-term time series data of aquifer recharge, groundwater extraction, and discharge are used to estimate aquifer storage capacity and maximum annual yield. Aquifer storage capacity is defined as the maximum volume of water that can be stored in an aquifer. It is estimated using a transient water-balance approach. The maximum annual yield is defined as the maximum combined groundwater extraction plus discharge that can be sustained in an aquifer judged by the historical record of recharge. It is determined according to a graphical mass-curve method. These two quantities are useful in aquifer characterization and groundwater management, the apportionment of groundwater rights and aquifer storage and recovery operations being two frequent applications. Time series data from the Edwards Aquifer, Texas, USA, illustrate the application of the methods presented.

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Résumé Des données sur le long terme de la recharge d’aquifère, de l’exploitation de l’eau souterraine et de la vidange sont utilisées pour estimer la capacité d’emmagasinement de l’aquifère et la capacité annuelle maximum. La capacité d’emmagasinement de l’aquifère est définit comme le volume maximum de l’eau qui peut être emmagasinée dans le réservoir. Elle est estimée en utilisant une approche par bilan hydrologique en transitoire. La capacité annuelle maximum est définit comme la combinaison de l’extraction de l’eau souterraine et de la vidange, combinaison qui peut être jugée durable ou non au regard de l’examen des valeurs de recharge. Elle est déterminée au moyen d’une méthode de courbe des valeurs cumulées. Ces deux quantités sont très utiles pour caractériser les aquifères et pour gérer les eaux souterraines, l’imputation des droits aux eaux souterraines, et du fait que les opérations de recharge des aquifères et de récupération sont très fréquentes. Les données temporelles provenant de l’aquifère Edwards, Texas, USA, illustrent l’application de la méthode présentée.

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Resumen Para estimar la capacidad de almacenamiento de un acuífero y su rendimiento máximo anual, se han utilizado series temporales largas de datos de recarga al acuífero, de extracciones de agua subterránea y de descarga. La capacidad de almacenamiento de un acuífero se define como el volumen máximo de agua que puede ser almacenado en el mismo. Se estima utilizando una aproximación con un balance de agua en régimen transitorio. El rendimiento máximo anual se define como el máximo resultante de la combinación de la extracción de aguas subterráneas y la descarga que puede ser sostenido por un acuífero según los registros históricos de recarga y se define según un método gráfico masa-curva. Estos dos valores son útiles en la caracterización de los acuíferos y en la gestión de las aguas subterráneas, el reparto de los derechos sobre las aguas subterráneas y las operaciones de almacenaje y recuperación de los acuíferos, que son dos aplicaciones frecuentes. Las series de tiempo para el Acuífero Edwards, Texas, USA, ilustra la aplicación de los métodos presentados.

     

A simple daily soil–water balance model for estimating the spatial and temporal distribution of groundwater recharge in temperate humid areas

Quantifying the spatial and temporal distribution of natural groundwater recharge is usually a prerequisite for effective groundwater modeling and management. As flow models become increasingly utilized for management decisions, there is an increased need for simple, practical methods to delineate recharge zones and quantify recharge rates. Existing models for estimating recharge distributions are data intensive, require extensive parameterization, and take a significant investment of time in order to establish. The Wisconsin Geological and Natural History Survey (WGNHS) has developed a simple daily soil–water balance (SWB) model that uses readily available soil, land cover, topographic, and climatic data in conjunction with a geographic information system (GIS) to estimate the temporal and spatial distribution of groundwater recharge at the watershed scale for temperate humid areas. To demonstrate the methodology and the applicability and performance of the model, two case studies are presented: one for the forested Trout Lake watershed of north central Wisconsin, USA and the other for the urban-agricultural Pheasant Branch Creek watershed of south central Wisconsin, USA. Overall, the SWB model performs well and presents modelers and planners with a practical tool for providing recharge estimates for modeling and water resource planning purposes in humid areas.

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Resumen La cuantificación de la distribución espacial y temporal de la recarga natural de agua subterránea es un requisito previo para una modelación y una gestión efectivas de las aguas subterráneas. Dado que se está incrementando el uso de los modelos de flujo para la toma de decisiones de gestión, existe una necesidad creciente de métodos simples y prácticos para delimitar las zonas de recarga y cuantificar los rangos de la misma. Los modelos existentes para la estimación de la distribución de la recarga requieren datos intensivos, una parametrización extensiva y una inversión de tiempo significativa para ser establecidos. El Servicio Geológico y de Historioa Natural de Wisconsin (WGNHS) ha desarrollado un modelo simple de balance diario de agua en el suelo (SWB) que usa de forma sencilla datos disponibles de suelo, de cobertera, topográficos y climáticos conjuntamente con un Sistema de Información Geográfica (GIS) para estimar la distribución espacial y temporal de la recarga de aguas subterráneas a escala de cuenca para zonas templadas húmedas. Para demostrar la metodología, aplicabilidad y el comportamiento del modelo, se presentan dos casos: uno en la cuenca boscosa de Trout Lake, en la zona Norte-Central de Wisconsin, USA y el otro en la Cuenca urbano-agrícola de Pheasant Branch Creek, Sur-Centro de Winconsin, USA. En conjunto, el modelo SWB funciona bien y presenta a los modeladores y planificadores una herramienta práctica para llevar a cabo una estimación de la recarga para propósitos de modelación y planificación de los recursos de agua en zonas húmedas.

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Résumé Quantifier les distributions temporelle et spatiale de la réalimentation naturelle des eaux souterraines est en règle générale un préalable à une modélisation et une gestion efficaces des eaux souterraines. Etant donné que les modèles numériques sont utilisés de manière croissante dans les prises de décisions en matière de gestion, il existe un besoin accru pour des méthodes simples et pratiques, afin de délimiter les zones d’alimentation et de quantifier les recharges associées. Les modèles existants, destinés à l’estimation de la répartition des réalimentations, demandent énormément de données, un paramétrage long, et un investissement conséquent en temps de mise en œuvre. Le Wisconsin Geologic and Natural History Survey (WGNHS) a développé un modèle simple basé sur un bilan en eau quotidien dans les sols (SWB); il utilise les données directement disponibles sur les sols, l’occupation des sols, la topographie et le climat, en conjonction avec un Système d’Information Géographique, afin d’estimer les distributions temporelle et spatiale de la réalimentation des eaux souterraines à l’échelle du bassin versant, pour les zones humides tempérées. Afin de démontrer la méthodologie, l’applicabilité et les performances du modèle, deux applications sont présentées: la première sur le bassin versant boisé de Trout Lake au centre-nord du Wisconsin (Etats-Unis), et le second sur le bassin versant agricole et urbanisé de Pheasant Branch Creek au centre-sud du Wisconsin. Le modèle SWB se comporte globalement bien, et offre aux modélisateurs un outil fonctionnel pour estimer les réalimentations, dans le cadre de modélisations et de plans de gestion des ressources en eau souterraine dans les zones humides.