Insights on surface-water/groundwater exchange in the upper Floridan aquifer, north-central Florida (USA), from streamflow data and numerical modeling

Abstract

Surface-water/groundwater exchange impacts water quality and budgets. In karst aquifers, these exchanges also play an important role in dissolution. Five years of river discharge data were analyzed and a transient groundwater flow model was developed to evaluate large-scale temporal and spatial variations of exchange between an 80-km stretch of the Suwannee River in north-central Florida (USA) and the karstic upper Floridan aquifer. The one-layer transient groundwater flow model was calibrated using groundwater levels from 59 monitoring wells, and fluxes were compared to the exchange calculated from discharge data. Both the numerical modeling and the discharge analysis suggest that the Suwannee River loses water under both low- and high-stage conditions. River losses appear greatest at the inside of a large meander, and the former river water may continue across the meander within the aquifer rather than return to the river. In addition, the numerical model calibration reveals that aquifer transmissivity is elevated within this large meander, which is consistent with enhanced dissolution due to river losses. The results show the importance of temporal and spatial variations in head gradients to exchange between streams and karst aquifers and dissolution of the aquifers.

Résumé

L’échange entre les eaux de surface et les eaux souterraines impacte la qualité de l’eau et le bilan hydrique. Dans les aquifères karstiques, ces échanges jouent aussi un rôle important dans la dissolution. Une série temporelle des débits de cours d’eau sur une période de cinq ans a été analysée et un modèle d’écoulement souterrain transitoire a été développé pour évaluer à une grande échelle, les variations temporelles et spatiales des échanges entre un tronçon de 80 km de la rivière Suwannee dans le centre nord de la Floride (Etats-Unis) et l’aquifère karstique du Floridien supérieur. Le modèle hydrogéologique transitoire monocouche a été calibré en utilisant les niveaux piézométriques de 50 piézomètres, et les flux ont été comparés aux échanges calculés à partir des données de débit. Tant la modélisation numérique que l’analyse des débits suggèrent que la rivière Suwannee a des pertes d’eau aussi bien en conditions de basses eaux que de hautes eaux. Les pertes de la rivière apparaissent comme étant les plus importantes à l’intérieur d’un grand méandre, et l’eau de la rivière peut cheminer à travers le méandre en s’infiltrant dans l’aquifère plutôt que de retourner vers la rivière. De plus, la calibration du modèle numérique révèle que la transmissivité de l’aquifère est élevée au sein de ce grand méandre, ce qui est cohérent avec une dissolution accrue due aux pertes de la rivière. Les résultats montrent l’importance des variations spatio-temporelles dans les gradients hydrauliques en faveur des échanges entre les eaux de surface des cours d’eau et les aquifères karstiques et de la dissolution des aquifères.

Resumen

El intercambio agua superficial/agua subterránea afecta la calidad del agua y los balances. En los acuíferos kársticos, estos intercambios también juegan un rol importante en la disolución. Se analizaron cinco años de datos de descarga del río y se desarrolló un modelo de flujo transitorio de agua subterránea para evaluar las variaciones espaciales y temporales a gran escala del intercambio entre un tramo de 80 km del Río Suwannee en el centro norte de Florida (EEUU) y el acuífero kárstico superior de Florida. Se calibró el modelo de flujo transitoria de agua subterránea de una capa usando los niveles de agua subterránea de 59 pozos de monitoreo, y se compararon los flujos con el intercambio calculado de los datos de descarga. Tanto el modelado numérico como el análisis de la descarga sugieren que el rio Suwannee pierde agua en condiciones de niveles altos y bajos. Las pérdidas del río parecen ser mayores en el interior de un gran meandro, y el agua del antiguo río puede continuar a través del meandro dentro del acuífero antes que retornar al río. Además, la calibración del modelo numérico revela que la transmisividad del acuífero es elevada dentro de este gran meandro, lo cual es consistente con la disolución enriquecida debido a las pérdidas del río. Los resultados muestran la importancia de las variaciones espaciales y temporales en los gradientes de la carga hidráulica para el intercambio entre corrientes y acuíferos kársticos y la disolución de los acuíferos.

摘要

地表水/地下水交换影响水质和水平衡计算。在岩溶含水层中,这些交换在岩石溶解中也发挥 着重要作用。分析了5年来的河流排泄资料,建立了瞬时地下水流模型,以评估(美国)佛罗里达州中北部80千米萨旺尼河和上佛罗里达系岩溶含水层之间地表水/地下水交换的 大规模时空变化。采用 59个观测井地下水位资料校正了单层瞬时地下水水流模型,比较了通量与根据排泄资料计算出的交换量。数值模拟和和排泄分析显示,萨旺尼河在水位低和高的情况下,河水流失。河水在大的河曲之内流失最多,先前的河水可在含水层内继续越过河曲,而 不流回河流。另外,数值模型校正揭示,含水层导水系数在这个大的河曲之内升高,与河水流失造成的岩石溶解增强相一致。结果显示了水头坡度时空变化对河流和岩溶含水层之间的交换及含水层岩石溶解的重要性

Resumo

As interações água superficial/subterrânea afetam a qualidade da água e o balanço hídrico. Em aquíferos cársicos poderão desempenhar também um papel importante na dissolução da rocha. Para avaliar as variações temporais e espaciais a grande escala das trocas de água entre um troço de 80 km do Rio Suwannee, no centro-norte da Flórida (EUA), e o aquífero superior cársico da Flórida, foram analisados dados de caudal do rio para um período de cinco anos e foi construído um modelo transitório de escoamento subterrâneo. O modelo de camada única foi calibrado com níveis de água subterrânea de 59 poços de monitorização, e os fluxos foram comparados com as trocas de água calculadas a partir dos dados de caudal. A modelação numérica e a análise dos dados de descarga sugerem ambos que o Rio Suwannee perde água tanto em condições de níveis baixos como com níveis elevados. As perdas do rio parecem maiores no interior de um grande meandro, e as águas que anteriormente pertenciam ao rio poderão atravessar o meandro por dentro do aquífero ao invés de retornar ao rio. Além do mais, a calibração do modelo numérico revela que a transmissividade do aquífero dentro deste grande meandro é elevada, o que é coerente com a dissolução mais elevada devido às perdas do rio. Os resultados mostram a importância das variações temporais e espaciais nos gradientes hidráulicos para as interações entre rios e aquíferos cársicos e para a dissolução das rochas constituintes dos aquíferos.