Water-table fluctuation method for assessing aquifer recharge: application to Canadian aquifers and comparison with other methods

Abstract

The water-table fluctuation (WTF) method is widely used to assess groundwater recharge but it is also criticized for certain limitations, namely that it is limited to calculating local recharge because most aquifers are relatively heterogeneous. This study aims at assessing groundwater recharge with the WTF method on a bigger spatial scale by comparing results from WTF with those obtained from different methods. The WTF method was thus applied to observation wells located in two aquifers in Eastern Canada for which groundwater recharge had previously been evaluated using several methods. Comparisons were conducted between WTF and other methods appropriate for regional assessments: (1) two water budget approaches, (2) hydrograph separation, and (3) an analytical regional solution based on Dupuit-Forchheimer assumptions. These showed that applying the WTF method to several observation wells and then calculating an average value can yield results that are comparable to those obtained on the scale of catchment areas. The study concludes that the WTF method can be used for the assessment of groundwater recharge at large regional scales if the aquifer is monitored by an appropriate network of observation wells.

Reésumé

La méthode des variations du niveau piézométrique (VNP) est largement utilisée pour évaluer la recharge des nappes d’eau souterraine mais elle est aussi critiquée en raison de certaines limites, notamment pour calculer la recharge locale, car la plupart des aquifères sont relativement hétérogènes. L’objectif de cette étude est d’évaluer la recharge des nappes d’eau souterraine avec la méthode VNP à une échelle plus importante en comparant les résultats de la méthode VNP à ceux obtenus à partir de différentes méthodes. La méthode VNP a ainsi été appliquée aux forages d’observation situés au droit de deux aquifères de l’Est canadien, pour lesquels la recharge de l’aquifère avait préalablement été évaluée en utilisant plusieurs méthodes. Des comparaisons ont été menées entre la méthode VNP et d’autres méthodes adaptées pour des évaluations régionales: (1) deux approches de bilan d’eau, (2) la séparation d’hydrogrammes, et (3) une solution régionale analytique basée sur les hypothèses de Dupuits-Forcheimer. Il a été mis en évidence que l’application de la méthode VNP à plusieurs forages d’observation et ensuite le calcul d’une valeur moyenne peut conduire à des résultats comparables à ceux obtenus à l’échelle de bassins versants. Cette étude conclut que la méthode VNP peut être utilisée pour l’évaluation de la recharge des nappes d’eau souterraine à des échelles régionales importantes, si l’aquifère dispose d’un réseau adéquat de forages d’observation.

Resumen

El método de fluctuación de los niveles freáticos (WTF) es ampliamente utilizado para evaluar la recarga de aguas subterráneas, pero también es criticado por ciertas limitaciones, a saber, que se limita a calcular la recarga local porque la mayoría de los acuíferos son relativamente heterogéneos. El objetivo de este estudio es evaluar la recarga de aguas subterráneas con el método WTF a una escala espacial mayor, comparando los resultados del WTF con los obtenidos con diferentes métodos. Por lo tanto, el método del WTF se aplicó a pozos de observación ubicados en dos acuíferos en el este de Canadá para los cuales se había evaluado previamente la recarga de agua subterránea utilizando varios métodos. Se realizaron comparaciones entre el WTF y otros métodos apropiados para las evaluaciones regionales: (1) dos enfoques de balances de agua, (2) separación de hidrogramas, y (3) una solución analítica regional basada en las suposiciones de Dupuit-Forchheimer. Éstas demostraron que la aplicación del método WTF a varios pozos de observación y el cálculo de un valor promedio pueden arrojar resultados comparables a los obtenidos en la escala de áreas de captación. El estudio concluye que el método WTF puede ser utilizado para la evaluación de la recarga de aguas subterráneas a escala regional si el acuífero es monitoreado por una red apropiada de pozos de observación.

摘要

地下水位波动(WTF)方法在地下水资源补给量评价中应用广泛,但由于大多数含水层存在相对非均质性,该方法仅限于计算局部地区补给量,因此该方法也受到一定的质疑。本研究的目的是在较大的空间尺度上利用WTF法评价地下水补给量,并将WTF法与其他不同方法的结果进行比较。以前曾用几种方法评价过加拿大东部两个含水层的地下水补给量,因此,将WTF法应用于这两个含水层的观测井中,比较了WTF法和其他3种适合区域评估的方法,包括:(1)两种水资源预算方法,(2)径流分割,(3)基于Dupuit-Forchheimer假定的区域解析解。结果表明,将WTF法应用于几个观测井,然后计算平均值,可以得到与流域研究区尺度相当的结果。研究发现,当含水层布设的观测井网络恰当时,WTF方法可用于评价大区域尺度的地下水资源补给量。

Resumo

O método da variação do nível freático (WTF) é amplamente utilizado para avaliar a recarga das águas subterrâneas, mas é criticado por certas limitações, a saber, que se limita ao cálculo da recarga local, porque a maioria dos aquíferos é relativamente heterogênea. Este estudo tem como objetivo avaliar a recarga de águas subterrâneas com o método WTF em uma escala espacial maior, comparando os resultados do WTF com os obtidos por diferentes métodos. O método WTF foi, portanto, aplicado a poços de observação localizados em dois aquíferos no Canadá Oriental para os quais a recarga de águas subterrâneas havia sido avaliada anteriormente usando vários métodos. Foram realizadas comparações entre o WTF e outros métodos apropriados para avaliações regionais: (1) duas abordagens de balanço hídrico, (2) separação de hidrógrafa, e (3) uma solução analítica regional baseada na premissa de Duipuit-Forchheimer. Estes mostraram que a aplicação do método WTF para vários poços de observação e, em seguida, o cálculo de um valor médio pode produzir resultados que são comparáveis aos obtidos na escala de bacia. O estudo conclui que o método WTF pode ser usado para a avaliação da recarga de águas subterrâneas em grandes escalas regionais se o aquífero for monitorado por uma rede apropriada de poços de observação.