Ecology-oriented groundwater resource assessment in the Tuwei River watershed, Shaanxi Province, China

Abstract

In arid and semi-arid regions, a close relationship exists between groundwater and supergene eco-environmental issues such as swampiness, soil salinization, desertification, vegetation degradation, reduction of stream base flow, and disappearance of lakes and wetlands. When the maximum allowable withdrawal of groundwater (AWG) is assessed, an ecology-oriented regional groundwater resource assessment (RGRA) method should be used. In this study, a hierarchical assessment index system of the supergene eco-environment was established based on field survey data and analysis of the supergene eco-environment factors influenced by groundwater in the Tuwei River watershed, Shaanxi Province, China. The assessment system comprised 11 indices, including geomorphological type, lithology and structure of the vadose zone, depth of the water table (DWT), total dissolved solids content of groundwater, etc. Weights for all indices were calculated using an analytical hierarchy process. Then, the current eco-environmental conditions were assessed using fuzzy comprehensive evaluation (FCE). Under the imposed constraints, and using both the assessment results on the current eco-environment situation and the ecological constraint of DWT (1.5–5.0 m), the maximum AWG (0.408 × 10⁸ m³/a or 24.29 % of the river base flow) was determined. This was achieved by combining the groundwater resource assessment with the supergene eco-environmental assessment based on FCE. If the maximum AWG is exceeded in a watershed, the eco-environment will gradually deteriorate and produce negative environmental effects. The ecology-oriented maximum AWG can be determined by the ecology-oriented RGRA method, and thus sustainable groundwater use in similar watersheds in other arid and semi-arid regions can be achieved.

Résumé

Dans les régions arides et semi-arides, une relation étroite existe entre l’eau souterraine et les phénomènes éco-environnementaux supergènes, tels que l’inondation, la salinisation du sol, la désertification, la dégradation de la végétation, la réduction de l’écoulement de base du cours d’eau et la disparition des lacs et des zones humides. Quand le prélèvement maximum admissible en eau souterraine (PMAES) est défini, une méthode d’évaluation de la ressource régionale en eau souterraine (ERRES) axée sur l’écologie peut être utilisée. Dans la présente étude, un système d’index d’évaluation hiérarchisé de l’éco-environnement de surface a été établi sur la base des données relevées sur le terrain et de l’analyse des facteurs éco-environnementaux de surface influencés par l’eau souterraine dans le bassin versant de la Rivière Tuweï, Province du Shaanxi, Chine. Le système d’évaluation comprenait 11 indices, incluant le type géomorphologique, la lithologie et la structure de la zone non saturée, la profondeur de la surface piézométrique (PSP), la teneur en matières dissoutes totales de l’eau souterraine, etc. Le poids de chaque indice a été calculé par une méthode d’analyse hiérarchisée. Ensuite, les conditions éco-environnementales actuelles ont été établies en utilisant une évaluation globale de logique floue (EGF). Sous les contraintes imposées, et en utilisant à la fois les résultats de l’évaluation de la situation éco-environnementale actuelle et les contraintes écologiques liées à la profondeur de la surface piézométrique PSP (1.5–5.0 m), le prélèvement maximum admissible en eau souterraine PMAES (0.408 × 10⁸ m³/a ou 24.29 % de l’écoulement de base de la rivière) a été déterminé. Ceci a été mené à bien en combinant l’évaluation de la ressource en eau souterraine et l’évaluation éco-environnementale de la surface sur la base de l’EGF. Si le prélèvement maximum admissible en eau souterraine (PMAES) est dépassé dans un bassin versant, l’éco-environnement se détériorera graduellement et provoquera des effets environnementaux négatifs. Le prélèvement maximum admissible en eau souterraine (PMAES) peut en égard à l’écologie être déterminé par la méthode de l’évaluation de la ressource régionale en eau souterraine (ERRES) axée sur l’écologie, et une utilisation durable de l’eau souterraine de bassins similaires dans d’autres régions arides ou semi-arides peut ainsi être réalisée.

Resumen

En las regiones áridas y semiáridas, existe una estrecha relación entre el agua subterránea y los problemas eco-ambientales supergénicos, tales como la generación de pantanos, la salinización del suelo, la desertificación, la degradación de la vegetación, la reducción del flujo de base y la desaparición de lagos y humedales. Cuando se evalúa la máxima extracción permisible del agua subterránea (AWG) se debe utilizar un método de evaluación regional de los recursos de agua subterránea orientada a la ecología (RGRA). En este estudio, se estableció un sistema de índices de evaluación jerárquica del ambiente ecológico supergénico basado en datos de encuestas de campo y análisis de los factores supergénicos de un ambiente ecológico influenciado por el agua subterránea en la cuenca del río Tuwei, provincia de Shaanxi, China. El sistema de evaluación compuesto por 11 índices, incluye el tipo geomorfológico, litología y la estructura de la zona no saturada, la profundidad de la capa freática (DWT), el contenido total de sólidos disueltos de las aguas subterráneas, etc. Se calcularon los pesos de los índices utilizando un proceso de jerarquía analítica. Luego, las condiciones eco-ambientales actuales se evaluaron utilizando la evaluación integral difusa (FCE). En virtud de las restricciones impuestas, y utilizando los resultados de la evaluación de la situación eco-ambiental actual y las limitaciones ecológicas de la DWT (1.5–5.0 m) se determina la máxima AWG (0.408 × 10⁸ m ³/a ó un 24.29 % del caudal base de los ríos). Esto se logró mediante la combinación de la evaluación de los recursos de agua subterránea con la evaluación ecológica del medio ambiente supergénico basado en la FCE. Si el máximo AWG supera un punto de inflexión, el ambiente ecológico se deteriorará gradualmente y producirá efectos ambientales negativos. El máximo AWG orientado a la ecología se puede determinar por el método RGRA orientado a la ecología, y así se puede lograr el uso sostenible del agua subterránea en cuencas similares en otras regiones áridas y semiáridas.

摘要

在干旱半干旱地区,地下水与沼泽化、盐渍化、沙漠化、植被退化、河流基流量衰减、湖泊与湿地消亡等表生生态环境问题之间关系密切。在评价地下水最大可采量时,应采用面向生态的区域地下水资源评价方法。本研究基于中国陕北秃尾河流域野外调查数据和受地下水影响的表生生态环境问题的因素分析,建立了地下水引发的表生生态环境问题的递阶评价指标体系。该评价指标体系由地貌类型、包气带岩性和结构、地下水位埋深及地下水总溶解性固体含量等11个指标构成。指标的权重采用层次分析法计算。采用模糊综合评判法对生态环境现状进行了评价。在生态环境现状评价结果和生态地下水位埋深(1.5–5.0 m)两个约束条件下,将地下水资源评价与基于模糊综合评判的表生生态环境评价耦合起来,确定了流域地下水最大可采量为0.408 × 10⁸ m³/a,占到河流基流量的24.29 %。若一个流域地下水开采量超过了其地下水最大可采量,其生态环境将渐趋恶化,并产生生态环境负效应。面向生态的地下水最大可采量可通过面向生态的区域地下水资源评价方法来确定,从而实现其他干旱半干旱地区类似流域地下水资源可持续利用。

Resumo

Em regiões áridas e semiáridas, existe uma relação próxima entre problemas com águas subterrâneas e com processos supergênicos eco-ambientais, tais como pântanosidade, salinização do solo, desertificação, degradação da vegetação, redução da vazão de base do rio, e desaparecimento de lagos e pântanos. Ao avaliar-se a máxima vazão outorgável de água subterrânea (VOAS), deve-se adotar um método para avaliação dos recursos hídricos subterrâneos regional (ARHS) orientado à ecologia. Neste trabalho, foi estabelecido um sistema com índice de avaliação hierárquica do processo supergênico eco-ambiental baseado dados de pesquisa de campo e análise de fatores supergênicos eco-ambientais influenciados pelas águas subterrâneas na bacia do Rio Tuwei, Província de Shaanxi, China. O sistema de avaliação consiste em 11 índices, incluindo tipo geomorfológico, litologia e estrutura da zona vadosa, profundidade do nível freático (PNF), conteúdo de sólidos dissolvidos na água subterrânea, etc. Utilizou-se um processo analítico hierárquico para calcular pesos para todos os índices. Em seguida, as condições eco-ambientais atuais foram avaliadas por meio de avaliação fuzzy compreensiva (AFC). Sob as restrições impostas, e usando ambos os resultados de avaliação na situação eco-ambiental atual e de restrição ecológica de PNF (1.5–5.0 m), determinou-se a máxima VOAS (0.408 × 10⁸ m³/a ou 24.29 % da vazão de base do rio). Isto foi alcançado por meio da combinação da avaliação de recursos hídricos subterrâneos com a avaliação dos processos supergênicos eco-ambientais baseado na AFC. Se a máxima VOAS for excedida na bacia, o eco-ambiente irá deteriorar-se gradualmente e produzir efeitos ambientais negativos. A máxima VOAS orientada à ecologia pode ser determinada pelo método ARHS com orientação à ecologia, e o uso sustentável da água subterrânea em bacias similares em regiões áridas e semiáridas pode ser alcançado.

Appendix

AHP:

Analytical hierarchy process

AWG:

Allowable withdrawal of groundwater

BFI:

Base flow index

DWT:

Depth of the water table

EAM:

Eco-environmental assessment model

EEAIS:

Ecological environment assessment information system

FCE:

Fuzzy comprehensive evaluation

GAM:

Groundwater assessment models

NICE:

Process-based national integrated catchment-based ecohydrology

RGRA:

Regional groundwater resource assessment

SEEIGW:

Supergene eco-environmental effects induced by groundwater withdrawal

WFCWS:

Well field for concentrated water supply

WFDWS:

Well field for deconcentrated water supply