Changes to inter-aquifer exchange resulting from long-term pumping: implications for bedrock groundwater recharge

Abstract

Extensive pumping of aquifer systems alters the water budget components for individual aquifer units. This study evaluated long-term changes in alluvial-bedrock groundwater exchange within a highly pumped region of the Denver Basin Aquifer System, Colorado (USA). For a data set spanning five decades, bedrock-aquifer water levels were compared to the elevation of mapped stream alluvium in three-dimensional space, providing a description of spatiotemporal changes in the relationship between the alluvial and bedrock aquifers. Results clearly show increased downward hydraulic gradients (from the alluvial aquifer to underlying sedimentary bedrock); thus, recharge to the bedrock aquifer has increased over time. Variably saturated flow modeling was performed to investigate the dependence of recharge on the bedrock aquifer’s water-table position. Model simulations with realistic geologic heterogeneity demonstrate the potential for unsaturated conditions within the bedrock aquifer, which may eventually produce a hydraulic disconnection between the alluvial and bedrock aquifers, limiting further pumping-induced changes in recharge. These results have important implications for understanding and forecasting long-term water-budget changes in aquifer systems subjected to high pumping stress, especially those in semi-arid regions.

Résumé

Le pompage intensif des systèmes aquifères modifie les composantes du bilan hydrique des unités aquifères individuelles. Cette étude a évalué les modifications sur le long terme des échanges des eaux souterraines entre les alluvions et le substratum rocheux dans une région fortement exploitée par pompage du système aquifère du bassin de Denver, Colorado (États-Unis d’Amérique). Pour un ensemble de données couvrant cinq décennies, les niveaux d'eau du substratum rocheux-aquifère ont été comparés à l'élévation des alluvions fluviales cartographiées dans un espace tridimensionnel, fournissant une description des modifications spatio-temporelles dans la relation entre les aquifères alluviaux et du substratum rocheux. Les résultats montrent clairement une augmentation des gradients hydrauliques à l’aval (de l'aquifère alluvial au substrat rocheux sédimentaire sous-jacent); ainsi, la recharge de l'aquifère rocheux a augmenté au fil du temps. Une modélisation du débit à saturation variable a été réalisée pour étudier la dépendance de la recharge par rapport à la position de la nappe phréatique de l'aquifère rocheux. Les simulations de modèle avec une hétérogénéité géologique réaliste mettent en évidence les possibles conditions de zone non saturée au sein de l'aquifère du substratum rocheux, ce qui pourrait éventuellement produire une déconnexion hydraulique entre les aquifères alluviaux et du substratum rocheux, limitant les modifications de recharge induites par le pompage. Ces résultats ont d’importantes répercussions sur la compréhension et la prévision à des modifications à long terme du bilan hydrique dans les systèmes aquifères soumis à une pression de pompage élevé, en particulier ceux des régions semi-arides.

Resumen

El bombeo extensivo de los sistemas acuíferos altera los componentes del balance hídrico de las unidades acuíferas individuales. Este estudio evaluó los cambios a largo plazo en el intercambio de aguas subterráneas en los sedimentos aluviales y basamento en una región altamente bombeada del Sistema Acuífero de la Cuenca de Denver, Colorado (EEUU). Para un conjunto de datos que abarcaba cinco decenios, se compararon los niveles de agua del acuífero del basamento y del acuífero aluvial con la elevación de los cursos cartografiados en un espacio tridimensional, lo que proporcionó una descripción de los cambios espacio-temporales en la relación entre los acuíferos aluviales y el basamento. Los resultados muestran claramente el aumento de los gradientes hidráulicos aguas abajo (desde el acuífero aluvial hasta el basamento de roca sedimentaria subyacente); de esta forma, la recarga del acuífero del basamento ha aumentado con el tiempo. Se realizó una modelización del flujo saturado de forma variable para investigar la dependencia de la recarga con respecto a la posición del acuífero sobre el basamento. Las simulaciones de modelos con heterogeneidad geológica realista demuestran el potencial de condiciones no saturadas dentro del acuífero del basamento, que pueden llegar a producir una desconexión hidráulica entre los acuíferos aluviales y el acuífero del basamento, limitando así los cambios en la recarga inducidos por el bombeo. Estos resultados tienen importantes repercusiones para comprender y prever los cambios en el balance hídrico a largo plazo en los sistemas acuíferos sometidos a una alta presión de bombeo, especialmente los de las regiones semiáridas.

摘要

含水层系统的大量开采改变了单个含水单元的水量均衡组成。本研究评估了美国科罗拉多州丹佛盆地含水层系统的强开采区冲积层-基岩之间地下水交换量的长期变化。对于跨越五十年的数据集,将基岩-含水层之间的水位与三维空间中相关河流冲积层的高程进行了比较,描述了冲积层与基岩含水层之间关系的时空变化。结果清楚地显示出向下的水力梯度增加(从冲积含水层到下伏的沉积基岩);因此,向基岩含水层的补给量随时间增加了。开展了变饱和流的模拟来研究补给量对基岩含水层地下水位的依赖性。基于实际地质异质性的模型模拟表明,基岩含水层内存在非饱和条件的可能性,这最终可能造成冲积层和基岩含水层之间产生水力分离,从而限制了开采引起补给量的继续变化。这些结果对理解和预测高度开采压力地区含水层系统的长期水均衡变化具有重要意义,特别是在半干旱地区。

Resumo

O bombeamento extensivo de sistemas aquíferos altera os componentes do balanço hídrico para unidades individuais. Este estudo avaliou mudanças de longo prazo na troca de águas subterrâneas de um leito aluvial em uma região de alto bombeamento do Sistema Aquífero da Bacia de Denver, Colorado (EUA). Para o conjunto de dados que abrange cinco décadas, os níveis de água dos aquíferos de leitos rochosos foram comparados com a elevação do aluvião mapeado em um espaço tridimensional, fornecendo uma descrição das mudanças espaço-temporais na relação entre os aquíferos aluviais e de leito de rocha. Os resultados mostram claramente o aumento dos gradientes hidráulicos para baixo (do aquífero aluvial para a base rochosa subjacente); assim, a recarga para o aquífero de leito rochoso aumentou com o tempo. A modelagem do fluxo variável-saturado foi realizada para investigar a dependência da recarga na posição do lençol freático do aquífero fraturado. Simulações de modelos com heterogeneidade geológica realista demonstram o potencial para condições insaturadas no aquífero fraturado, o que pode eventualmente causar uma desconexão hidráulica entre os aquíferos aluvial e de leito rochoso, limitando outras alterações na recarga induzidas por bombeamento. Esses resultados têm implicações importantes para a compreensão e previsão de mudanças no balanço hídrico a longo prazo em sistemas aquíferos sujeitos a alto estresse por bombeamento, especialmente naquelas regiões semiáridas.