Interactions between groundwater and surface water: the state of the science

Abstract.

The interactions between groundwater and surface water are complex. To understand these interactions in relation to climate, landform, geology, and biotic factors, a sound hydrogeoecological framework is needed. All these aspects are synthesized and exemplified in this overview. In addition, the mechanisms of interactions between groundwater and surface water (GW–SW) as they affect recharge–discharge processes are comprehensively outlined, and the ecological significance and the human impacts of such interactions are emphasized. Surface-water and groundwater ecosystems are viewed as linked components of a hydrologic continuum leading to related sustainability issues. This overview concludes with a discussion of research needs and challenges facing this evolving field. The biogeochemical processes within the upper few centimeters of sediments beneath nearly all surface-water bodies (hyporheic zone) have a profound effect on the chemistry of the water interchange, and here is where most of the recent research has been focusing. However, to advance conceptual and other modeling of GW–SW systems, a broader perspective of such interactions across and between surface-water bodies is needed, including multidimensional analyses, interface hydraulic characterization and spatial variability, site-to-region regionalization approaches, as well as cross-disciplinary collaborations.

Résumé.

Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont complexes. Pour comprendre ces interactions, qui dépendent du climat, des paysages, de la géologie et de facteurs biotiques, il est nécessaire de bien connaître le cadre hydro-géo-écologique. Tous ces aspects sont synthétisés et donnés en exemple dans cette revue d'ensemble. En outre, dans la mesure où ils affectent les processus de recharge–décharge, les mécanismes des interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface sont largement ébauchés, et la signification écologique et les impacts humains de telles interactions sont mises en avant. Les écosystèmes des eaux de surface et souterraines sont conçus comme étant des composantes liées appartenant à un continuum hydrologique conduisant à des questions sur le développement durable. Cette revue d'ensemble conclut par une discussion sur les besoins de recherche et des problèmes posés par ce thème en développement. Les processus biogéochimiques dans les quelques centimètres de sédiments immédiatement sous toutes les eaux de surface (la zone hyporhéique) ont un effet essentiel sur le chimisme des échanges d'eau, et c'est sur ce point que se sont concentrées la plupart des recherches récentes. Cependant, pour faire progresser la modélisation conceptuelle et les autres modélisations des systèmes eau souterraine–eau de surface, une perspective plus large de ces interactions à l'intérieur et entre les hydrosystèmes de surface est nécessaire, en prenant en compte des analyses multidimensionnelles, la caractérisation hydraulique de l'interface et la variabilité spatiale, les approches par régionalisation du site local à la région, aussi bien que des collaborations transdisciplinaires.

Resumen.

Las interacciones entre aguas subterráneas y superficiales son complejas. Para entenderlas en relación con factores climáticos, de relieve del terreno, geológicos y bióticos, se necesita un marco hidrogeoecológico robusto. Este artículo resume y presenta ejemplos de todos estos aspectos. Además, se describe con profusión los mecanismos de interacción entre las aguas superficiales y subterráneas que afectan a los procesos de recarga y descarga, haciendo hincapié en la importancia ecológica y en los impactos humanos de tales interacciones. Los ecosistemas de aguas superficiales y subterráneas son considerados como elementos unidos de un continuo hidrológico que llevan a plantear su sustentabilidad. La revisión concluye con una discusión de las necesidades de investigación y de los retos que afronta este campo tan dinámico. Los procesos biogeoquímicos que se producen en los primeros centímetros de los sedimentos en la mayoría de los cursos y reservorios de aguas superficiales (zona hiporreica) tienen un profundo efecto en la química del intercambio de agua, y es aquí donde incide la mayoría de la investigación más reciente. Sin embargo, se requiere una perspectiva más amplia de las interacciones entre aguas superficiales y subterráneas con el objeto de avanzar en la modelación de estos sistemas, incluyendo análisis multi-dimensionales, caracterización de la hidráulica en la interfaz y de la variabilidad espacial, métodos de regionalización, y colaboraciones interdisciplinares.