Hydrodynamic characteristics of the western Doñana Region (area of El Abalario), Huelva, Spain

Abstract

The Doñana region, in southwestern Spain, comprises a large and important nature reserve, the wetlands of which are affected by human activity. Planting of an extensive eucalyptus forest in the 1950s and, more recently, the use of aquifers for irrigation and water supply for some coastal tourist resorts, have altered the natural groundwater-flow system. The area of the study is the western sector of the region, called El Abalario, which is a gentle topographic elevation between the Atlantic coast and La Rocina Creek (Arroyo de la Rocina). Underneath a variable layer of eolian sands with high dunes near the coast, thick Plio-Quaternary detritic strata, mostly fine silica sands, overlie marls. Near the base there is a variable, deltaic-origin layer of coarse sands and gravels. The dome-shaped water table, inside the sands, is close to the surface everywhere except beneath the dune belt, and small, temporary, shallow lagoons are numerous. The coarse sand and gravel layer conditions groundwater flow and behaves as a semiconfined layer between sands. A cross section through the area was simulated with a model to check the validity of the conceptual groundwater-flow pattern and its sensitivity to the hydraulic parameters. The model was calibrated using parameter values obtained by pumping tests and multilevel piezometric data, and checked against the estimated groundwater discharge into La Rocina Creek. Groundwater flows peripherally to the sea coast, to La Rocina Creek, or directly east and southeastward into the Doñana marshlands, in the Guadalquivir River delta. The average net aquifer recharge rate was calculated to be between 100 and 200 mm year⁻¹ for the area covered by brush, but is remarkably lower in the areas of eucalyptus trees. The transient-state model shows that recharge varies spatially and is not clearly proportional to annual precipitation. Phreatic evapotranspiration plays an important role in decreasing the net value of aquifer recharge to approximately 0.4–0.6 of that calculated with a soil-balance model. The cross section model was used to study the effect of groundwater abstraction on water-table depth by subtracting the contribution of vertical flow, calculated by a well-hydraulics formula, to the semiconfined deep aquifer. The result was a decrease in phreatic evapotranspiration, flow into La Rocina Creek, and lagoon-inundation frequency. Replacement of the eucalyptus forest with native vegetation may raise water-table levels and even reactivate old tributaries to La Rocina Creek.

Résumé

La région de Doñana, située dans le sud ouest de l'Espagne, comprend une importante réserve naturelle avec des zones humides, affectée par l'activité humaine. L'exploitation de vastes plantations d'eucalyptus pendant les années 50 et l'usage plus récent des nappes souterraines pour l'irrigation et l'alimentation en eau des centres touristiques côtiers ont modifié le système de flux d'eau souterraine dans cette zone. La présente étude a été réalisée dans le secteur occidental, appelé El Abalario. Ce secteur consiste en une légère élévation située entre l'Océan Atlantique et la ravine de La Rocina. Une couverture variable de sables éoliens, formant une haute crête dunaire côtière, recouvre des sédiments detritiques plio-quaternaires, déposés eux même sur des sables siliceux lesquels reposent à leur tour sur des marnes. Près de la base se trouvent des sables grossiers et des graviers d'origine deltaïque, dont l'épaisseur varie spatialement. Le flux d'eau souterraine est conditionné par l'aquifère semi confinés des graviers et des sables grossiers. Le niveau phréatique de l'aquifère libre des sables fluvio-marins est peu profond, excepté sous les dunes. On y trouve souvent des petites lagunes temporaires peu profondes. Le flux de l'eau souterraine a été simulé dans une section verticale pour vérifier le modèle hydrogéologique conceptuel et la sensibilité aux variations des paramètres. Le modèle a été calé en utilisant d'une part les valeurs des paramètres hydrauliques obtenus par des essais de pompage et d'après les données piezométriques mesurées à différentes profondeurs, et d'autre part l'apport estimé de la ravine de La Rocina. L'écoulement d'eau souterraine s'effectue par drainage latérale dans trois directions, d'une part vers la côte, d'autre part à travers la ravine de La Rocina et finalement directement vers les Marais de Doñana situés à l'est et sud-est dans le delta du fleuve Guadalquivir. Avec une pluviométrie moyenne comprise entre 550 et 600 mm, la recharge nette moyenne annuelle des nappes, pour des périodes de temps assez longues, est estimée entre 100 et 200 mm dans les aires de végétation autochtone, et elle est nettement inférieure dans les aires plantées d´eucalyptus. Le modèle transitoire montre que la recharge varie dans l'espace et qu'elle n'est pas clairement proportionnelle aux précipitations annuelles. L'évapotranspiration phréatique joue un rôle important et diminue la valeur nette de la recharge des nappes de 0,4 à 0,6 de la valeur calculée avec un modèle de bilan d'eau dans le sol. La section modélisée est utilisée pour étudier l'effet de l'extraction d'eau souterraine sur la profondeur du niveau phréatique en soustrayant le flux vertical, calculé grâce à une formule d'hydraulique des puits, de la nappe profonde semi-confinée. Le résultat de cette extraction est une diminution de l'évapotranspiration phréatique, du flux au niveau de la ravine de La Rocina et de la fréquence d'inondation des lagunes. La substitution de forêts d'eucalyptus par de la végétation autochtone peut permettre la remonté des niveaux phréatiques et même réactiver d'anciens ravins affluents à La Rocina.

Resumen

La región de Doñana, situada en el sudoeste de España, incluye una gran e importante reserva natural, cuyos humedales están siendo afectados por la actividad humana. La extensa plantación de eucaliptus en la década de 1950 y el uso más reciente de los acuíferos para riego y para abastecimiento de centros turísticos costeros han modificado el sistema de flujo del agua subterránea en esta zona. Este estudio se ha realizado en el sector occidental, llamado El Abalario. Se trata de una elevación suave situada entre el océano Atlántico y el arroyo de La Rocina. Debajo de un manto variable de arenas eólicas, que forma un alto cordón dunar costero, se encuentran sedimentos detríticos plio-cuaternarios formados por arenas silíceas finas, que hacia la base incluyen una capa de arenas gruesas y gravas de origen deltrico, los que a su vez yacen sobre margas. El flujo de agua subterránea está relacionado con niveles de gravas y gravillas semiconfinadas por las arenas fluvio-marinas que contienen el nivel freático. El nivel freático es somero excepto debajo del cordón dunar. Son frecuentes pequeñas lagunas temporales. Se ha simulado el flujo de agua subterránea en una sección para comprobar el modelo de flujo conceptual y la sensibilidad a variaciones de los parámetros. El modelo fue calibrado usando los valores de los parámetros hidráulicos obtenidos en ensayos de bombeo y datos piezométricos medidos a diferentes profundidades, y la descarga estimada al arroyo de La Rocina. La recarga de agua subterránea drena lateralmente, por un lado hacia la costa y por otro lado a través del arroyo de La Rocina, o directamente hacia las Marismas de Doñana situadas en el delta del río Guadalquivir. Con una lluvia media anual entre 550 y 600 mm, la recarga neta media estacionaria anual del acuífero, considerando periodos de tiempo largos, se estima entre 100 y 200 mm en las zonas de vegetación autóctona, y es notablemente menor en las zonas de plantación de eucaliptos. El modelo transitorio indica que la recarga varia espacialmente y no es claramente proporcional a la precipitación para periodos de un año. La evapotranspiración freática varia espacialmente y juega un papel importante; disminuye el valor neto de la recarga al acuífero para dejarlo en 0,4 a 0,6 de lo que se calcula mediante un balance de agua en el suelo. La sección modelada sirve para estudiar el efecto de la extracción de agua subterránea sobre la profundidad del nivel freático mediante la substracción del flujo vertical, que se calcula mediante una fórmula de hidráulica de pozos para el acuífero semiconfinado profundo. El resultado es una disminución de la evapotranspiración freática, del flujo al arroyo de la Rocina y de la frecuencia de inundación de las lagunas. La substitución del bosque de eucaliptus por vegetación nativa puede elevar los niveles freáticos e incluso reactivar antiguos "caños" tributarios al arroyo de La Rocina.