Groundwater recharge in Pleistocene sediments overlying basalt aquifers in the Palouse Basin, USA: modeling of distributed recharge potential and identification of water pathways

Abstract

Groundwater levels in basalt aquifers around the world have been declining for many years. Understanding water pathways is needed for solutions like artificial drainage. Water supply in the Palouse Basin, Washington and Idaho, USA, primarily relies on basalt aquifers. This study presents a combination of modeling and field observations to understand the spatial distribution of recharge pathways in the overlying Pleistocene sediments. A spatially distributed model was used to quantify potential recharge rates. The model shows clearly that recharge predominantly occurs through non-argilic soils and soils that are not underlain by fine-grained sediments, i.e. the upper area of the watershed. A field survey was conducted to determine recharge pathways from this area. It revealed 83  perennial springs. Drillings near springs showed connection of coarse-grained layers within the fine-grained Sediments of Bovill to these springs. Such layers, with streambed-like features, act as paleo-channels. Water from one of these coarse-grained layers had a similar electrical conductivity (200  μS  cm^–1) to water from a downstream perennial spring, also suggesting the existence of a lateral conduit for deep percolation water.

Résumé

Le niveau des aquifères basaltiques est en déclin depuis de nombreuses années dans le monde. La connaissance des chenaux d’écoulement est nécessaire pour des solutions telles le drainage artificiel. L’alimentation en eau dans le Palouse Basin, Washington et Idaho, USA, repose principalement sur des aquifères basaltiques. Cette étude présente un croisement de modélisation et d’observations de terrain pour comprendre la distribution spatiale des conduits de recharge dans les sédiments pléistocènes sus jacents. Un modèle avec distribution spatiale a été utilisé pour quantifier potentiel et taux de recharge. Le modèle montre clairement que la recharge a lieu principalement à travers des sols non argileux et des sols ne reposant pas sur des sédiments à grain fin, i.e. la zone supérieure de séparation des eaux. Une étude de terrain a été menée pour déterminer les conduits de recharge de cette zone. Elle a révélé 83 sources pérennes. Des forages proches des sources ont montré leur connexion à des couches à grain grossier dans la formation Sediments of Bovil à grain fin. De telles couches, avec des caractéristiques analogues à des chenaux, se comportent comme paléo chenaux. L’eau de l’une de ces couches à grain fin a une conductivité électrique (200 μS cm^–1) similaire à l’eau d’une source pérenne aval, ce qui suggère aussi l’existence de conduit pour l’eau de percolation profonde.

Resumen

Los niveles de agua subterránea en acuíferos basálticos alrededor del mundo han estado declinando por muchos años. Es necesario entender las trayectorias del agua para promover soluciones como el drenaje artificial. El abastecimiento de agua en la cuenca de Palouse, Washington y Idaho, EEUU, descansa básicamente en acuíferos basálticos. Este estudio presenta una combinación de observaciones de campo y modelado para entender la distribución especial de las trayectorias de la recarga en los sedimentos Pleistocenos suprayacentes. Un modelo espacialmente distribuido fue usado para cuantificar los ritmos potenciales de recarga. El modelo muestra claramente que la recarga ocurre predominantemente a través de suelos no argílicos y suelos que no están apoyados en sedimentos de grano fino, esto es, el área superior de la cuenca. Se llevó a cabo un relevamiento de campo para determinar la trayectoria de la recarga en esta área. Dicho estudio reveló 83 manantiales perennes. Las perforaciones cercanas a los manantiales mostraron conexión de capas de grano grueso situadas dentro de los sedimentos de grano fino de Bovill con dichos manantiales. Tales capas, con aspectos similares a las de un lecho de río, actúan como paleocanales. El agua proveniente de una de estas capas de grano grueso tienen una conductividad eléctrica similar (200 μS cm^–1) al agua proveniente de un manantial perenne agua abajo, lo que también sugiere la existencia de conductos laterales para la percolación profunda del agua.

摘要

世界各地玄武岩含水层地下水水位多年来都处于持续下降状态。掌握地下水流动途径可以解决很多问题例如人工排水。包括美国华盛顿州和爱达荷州, 帕卢斯盆地的地下水供给主要依靠玄武岩含水层。本文结合模拟和野外两个方面工作以掌握玄武岩含水层上覆更新世沉积物中地下水补给途径的空间分布规律。利用空间分布式模型定量计算潜在补给速率。模型表明大部分补给通过粘土, 以及未被细粒沉积物覆盖的土壤即流域上游地区补给地下水。野外调查用于确定该地区的补给途径。野外工作揭示了该地区的83个常年性泉眼。泉周边钻孔显示泉口出露点位置与细粒沉积层中的粗粒层的联系。这些粗粒层具有河床的特点, 可能是古河道。其中一处粗粒层的地下水样品的电导率(200 μS cm^–1)与下游常年性泉水的电导率相近, 同时揭示了深部地下水侧向流动的存在。

Resumo

Os níveis piezométricos nos aquíferos basálticos têm vindo a decrescer desde há vários anos em todo o mundo. Entender os percursos da água subterrânea é absolutamente necessário para soluções como a drenagem artificial. O abastecimento de água na Bacia de Palouse, em Washington e Idaho, nos EUA, tem sido assegurado fundamentalmente por água proveniente de aquíferos basálticos. Para estudar a distribuição espacial dos padrões de recarga nos sedimentos sobrejacentes de idade plistocénica, é aplicada neste estudo uma metodologia que utiliza modelação baseada em dados observados no campo. Para quantificar as taxas de recarga potencial é utilizado um modelo espacialmente distribuído. O modelo mostra claramente que a recarga ocorre predominantemente em solos que não contêm argila e em solos onde não existe sobreposição de sedimentos de granulometria fina, isto é, na camada superior da bacia. Para determinar os percursos onde ocorre recarga foi realizado um estudo no campo que revelou existirem 83 nascentes perenes. Sondagens executadas perto das nascentes revelaram existir conexões entre camadas de granulometria grosseira dentro dos sedimentos finos de Bovill com aquelas exsurgências. Tais camadas, com características semelhantes a leito de rio, agem como paleo-canais. A água de uma destas camadas de características grosseiras possuía uma condutividade eléctrica similar (200 μS cm^–1) à água de uma nascente perene localizada a jusante, sugerindo igualmente a existência de uma conduta lateral com percolação profunda.