Assessment of factors influencing groundwater-level change using groundwater flow simulation, considering vertical infiltration from rice-planted and crop-rotated paddy fields in Japan

Abstract

Assessing factors that influence groundwater levels such as land use and pumping strategy, is essential to adequately manage groundwater resources. A transient numerical model for groundwater flow with infiltration was developed for the Tedori River alluvial fan (140 km²), Japan. The main water input into the groundwater body in this area is irrigation water, which is significantly influenced by land use, namely paddy and upland fields. The proposed model consists of two models, a one-dimensional (1-D) unsaturated-zone water flow model (HYDRUS-1D) for estimating groundwater recharge and a 3-D groundwater flow model (MODFLOW). Numerical simulation of groundwater flow from October 1975 to November 2009 was performed to validate the model. Simulation revealed seasonal groundwater level fluctuations, affected by paddy irrigation management. However, computational accuracy was limited by the spatiotemporal data resolution of the groundwater use. Both annual groundwater levels and recharge during the irrigation periods from 1975 to 2009 showed long-term decreasing trends. With the decline in rice-planted paddy field area, groundwater recharge cumulatively decreased to 61 % of the peak in 1977. A paddy-upland crop-rotation system could decrease groundwater recharge to 73–98 % relative to no crop rotation.

Résumé

L'évaluation des facteurs qui influencent les niveaux d'eau souterraine, comme l’occupation des sols et la stratégie de pompage, est essentielle pour gérer de manière adéquate les ressources en eau souterraine. Un modèle numérique hydrodynamique transitoire prenant en compte l’infiltration a été développé pour le delta alluvial de la rivière Tedori au Japon (140 km²). L’aquifère est principalement rechargé, dans cette région, par l’eau d'irrigation, qui est significativement influencée par l’occupation des sols, à savoir rizières et cultures des hauts plateaux. Le modèle proposé consiste en deux modèles, un modèle unidimensionnel de la zone non saturée (HYDRUS-1D) pour évaluer la recharge de l’aquifère et un modèle 3D de circulation des eaux souterraines (MODFLOW). Une simulation numérique des circulations d'eau souterraine entre octobre 1975 et novembre 2009 a été réalisée afin de valider le modèle. La simulation a révélé des fluctuations piézométriques saisonnières, affectées par la gestion de l'irrigation des rizières. Cependant, la précision du modèle est limitée par la résolution spatio-temporelle des données sur l'utilisation de l'eau souterraine. Les niveaux piézométriques ainsi que le volume de la recharge, pendant les périodes d'irrigation de 1975 à 2009, montrent conjointement une tendance à la diminution sur le long terme. Avec la diminution des surfaces destinées à la riziculture, la recharge de l’aquifère a baissé de 61 % depuis le pic de 1977. Un système de rotation des cultures dans les rizières des hauts plateaux pourrait diminuer la recharge des aquifères de 73 à 98 % par rapport à la situation actuelle.

Resumen

La evaluación de los factores que influyen en los niveles de agua subterránea, tales como uso de la tierra y las estrategias de bombeo es esencial para manejar adecuadamente los recursos de agua subterránea. Se desarrolló un modelo numérico transitorio para flujo de agua subterránea con infiltración para el abanico aluvial del Río Tedori (140 km²), Japón. La principal entrada de agua en el cuerpo de agua subterránea en esta área es el agua de irrigación, que está significativamente influenciada por el uso de la tierra, es decir arrozales y de tierras altas. El modelo propuesto consiste en dos modelos, un modelo unidimensional (1-D) del flujo de agua en la zona no saturada (HYDRUS-1D) para estimar la recarga de agua subterránea y un modelo tridimensional 3-D de flujo de agua subterránea (MODFLOW). Se llevó a cabo la simulación numérica de flujo de agua subterránea desde octubre de 1975 a noviembre de 2009 para validar el modelo. La simulación reveló fluctuaciones estacionales del nivel de agua subterránea, afectadas por el manejo de la irrigación de los arrozales. Sin embargo, la exactitud computacional fue limitada por la resolución espacio temporal de los datos del uso de agua subterránea. Tanto los niveles anuales de agua subterránea como la recarga durante los períodos de irrigación desde 1975 a 2009 mostraron tendencias decrecientes a largo plazo. Con la disminución de la superficie de los arrozales, la recarga de agua subterránea decreció acumulativamente al 61 % de su pico de 1977. Un sistema de rotación de cultivos de arrozales de las tierras altas podría disminuir la recarga de las aguas subterráneas en un 73 a 98 % con respecto a la situación actual.

摘要

评价影响地下水位变化的因素,如土地利用和抽水方案,对于科学管理地下水资源必不可少。对日本Tedori河冲积扇(140 km²)伴有入渗的地下水流开发了瞬时数值模型。本地区进入地下水体的水主要是灌溉水,灌溉水量的多寡主要受土地利用,即稻田和高地田的影响。所建模型包括两个模型,估算地下水补给的一维非饱和带水流模型(HYDRUS-1D)和三维地下水流模型(MODFLOW)。1975年10月至2009年11月进行了地下水流数值模拟,以验证模型的有效性。模拟揭示了地下水位季节性波动变化,波动变化受水田灌溉管理的影响。然而,计算精度受限于地下水利用的时空资料解析度。 1975年 至2009年灌溉期间的年地下水位和补给量双双显示出下降趋势。随着稻田面积的减少,地下水补给量降低到1977年峰值的61%。稻田-高地农作物轮作系统可使目前的地下水补给量减少73-98 %。

Resumo

A avaliação dos fatores que influenciam os níveis freáticos, como o uso do solo e a estratégia de bombeamento, é essencial para gerir adequadamente os recursos hídricos subterrâneos. Foi desenvolvido um modelo numérico transitório de escoamento subterrâneo com infiltração para o leque aluvionar do Rio Tedori (140 km²), no Japão. A principal entrada de água para a massa de água subterrânea nesta área é a água de rega, que é significativamente influenciada pelo uso do solo, nomeadamente campos de arroz de inundação e de terras altas. O modelo proposto consiste em dois modelos, um modelo de escoamento da zona não saturada unidimensional (1-D, o HYDRUS-1D) para estimar a recarga de águas subterrâneas e um modelo de escoamento subterrâneo 3-D (MODFLOW). Para validar o modelo foi efetuada a simulação numérica do escoamento subterrâneo desde outubro de 1975 até novembro de 2009. A simulação revelou variações sazonais do nível freático, afetadas pela gestão da rega dos campos de arroz. Contudo, a precisão computacional foi limitada pela resolução espaciotemporal dos dados de utilização das águas subterrâneas. Tanto os níveis freáticos como a recarga durante o período de rega de 1975 até 2009 mostraram tendências de descida a longo-prazo. Com o declínio da área plantada de campos de arroz de inundação, a recarga de águas subterrâneas desceu cumulativamente para 61 % do pico de 1977. Um sistema de rotação de culturas de campo de arroz de inundação em terras altas poderia diminuir a recarga de águas subterrâneas em 73-98 % em relação à situação atual.