Groundwater flow, nutrient, and stable isotope dynamics in the parafluvial-hyporheic zone of the regulated Lower Colorado River (Texas, USA) over the course of a small flood

Abstract

Periodic releases from an upstream dam cause rapid stage fluctuations in the Lower Colorado River near Austin, Texas, USA. These daily pulses modulate fluid exchange and residence times in the hyporheic zone where biogeochemical reactions are typically pronounced. The effects of a small flood pulse under low-flow conditions on surface-water/groundwater exchange and biogeochemical processes were studied by monitoring and sampling from two dense transects of wells perpendicular to the river. The first transect recorded water levels and the second transect was used for water sample collection at three depths. Samples were collected from 12 wells every 2 h over a 24-h period which had a 16-cm flood pulse. Analyses included nutrients, carbon, major ions, and stable isotopes of water. The relatively small flood pulse did not cause significant mixing in the parafluvial zone. Under these conditions, the river and groundwater were decoupled, showed potentially minimal mixing at the interface, and did not exhibit any discernible denitrification of river-borne nitrate. The chemical patterns observed in the parafluvial zone can be explained by evaporation of groundwater with little mixing with river water. Thus, large pulses may be necessary in order for substantial hyporheic mixing and exchange to occur. The large regulated river under a low-flow and small flood pulse regime functioned mainly as a gaining river with little hydrologic connectivity beyond a narrow hyporheic zone.

Résumé

Des lâchers périodiques à partir d’un barrage situé en amont entraînent des fluctuations rapides de l’état hydraulique dans la partie inférieure du Colorado près d’Austin, Texas, Etats-Unis d’Amérique. Ces impulsions journalières modulent les échanges de flux et des temps de séjour dans la zone hyporhéique où les réactions biogéochimiques sont généralement prononcées. Les effets d’une petite impulsion de crue dans des conditions d’étiage sur les échanges entre eaux de surface/eaux souterraines et les processus biogéochimiques ont été étudiés à l’aide d’une surveillance et des échantillonnages au niveau de deux transects à forte densité de puits perpendiculaires à la rivière. Le premier transect a enregistré des niveaux d’eaux et le second transect a été utilisé pour la collecte d’échantillons selon trois profondeurs. Les échantillons ont été prélevés au niveau de 12 puits toutes les 2 heures sur une période de 24 heures, qui a été affectée par une impulsion de crue de 16 cm. Les analyses ont porté sur les éléments nutritifs, le carbone, les ions majeurs et les isotopes stables de l’eau. L’impulsion de crue relativement petite n’a pas causé de mélange significatif dans la zone parafluviale. Dans ces conditions, la rivière et les eaux souterraines sont découplées, ce qui est démontré par un mélange potentiel minimal à l’interface, et elles ne présentent pas une dénitrification discernable des nitrates issus de la rivière. Les modèles chimiques observés dans la zone parafluviale peuvent être expliqués par l’évaporation des eaux souterraines avec peu de mélange avec l’eau de rivière. Ainsi, de grandes impulsions peuvent être nécessaires pour qu’un mélange hyporhéique substantiel et un mélange se produisent. Le grand fleuve régulé en conditions d’étiage et sous un régime de petites impulsions de crue a fonctionné principalement comme une rivière avec un gain, caractérisée par une faible connectivité hydrologique au-delà d’une zone hyporhéique étroite.

Resumen

Los vertidos periódicos de una presa aguas arriba causan escenarios de fluctuaciones rápidas en el Río Colorado Inferior cerca de Austin, Texas, EE.UU. Estos pulsos diarios modulan el intercambio de fluidos y los tiempos de residencia en la zona hiporreica donde las reacciones biogeoquímicas son habitualmente pronunciadas. Se estudiaron los efectos de un pequeño pulso de inundación en condiciones de bajo caudal de intercambio agua de superficie / agua subterránea y los procesos biogeoquímicos mediante el monitoreo y muestreo de dos transectas de pozos perpendiculares al río. La primer transecta registró los niveles de agua y la segunda se utilizó para la extracción de muestras de agua a tres profundidades. Se recolectaron muestras de 12 pozos cada 2 horas durante un período de 24 horas que tenía un pulso de inundación de 16 cm. Los análisis incluyeron nutrientes, carbono, iones mayoritarios, y los isótopos estables de agua. El pulso de inundación relativamente pequeño no causó una mezcla significativa en la zona parafluvial. En estas condiciones, el río y el agua subterránea se desacoplan, mostraron posiblemente una mezcla mínima en la interfaz, y no mostraron ninguna desnitrificación apreciable en la transmisión de nitrato al río. Los patrones químicos observados en la zona parafluvial pueden explicarse por la evaporación del agua subterránea con poca mezcla con el agua del río. Por lo tanto, grandes impulsos pueden ser necesarios para una considerable mezcla hiporreica y para que pueda ocurrir el intercambio. Un gran río regulado bajo un flujo bajo y un régimen de pulsos de inundación pequeño funcionó principalmente como un río ganador con poca conectividad hidrológica más allá de una angosta zona hiporreica.

摘要

从上游大坝定期放水可引起美国德克萨斯州奥斯丁附近科罗拉多河下游快速的阶段性波动。这些日常的波动调节着生物地球化学反应非常突出的伏流带内液体交换和滞留时间。通过垂直于河流的井的两个密集断面的监测和采样,研究了在流量低的条件下小的洪水波动对地表水/地下水交换和生物地球化学过程的影响。第一个断面记录了水位,第二个断面用来在三个不同的深度采集水样。在24小时的时段内,有10 cm 的水位波动,每两个小时从12口井中采集水样。分析包括水中的营养物、碳、主要离子和稳定同位素。相对小的洪水波动不能引起准河流带大的混合。在这些条件下,河流和地下水去耦,显示在界面有很小的混合,没有显示出河流随带的硝酸盐任何可辨别的除氮作用。在准河流带观测到的化学模式是由与河水混合极少的地下水蒸发造成的。因此,在流量低和小的洪水波动情况下,大的受到管理的河流主要充当盈水河,其在窄的伏流带之外水力连通性很差。

Resumo

Liberações periódicas de uma barragem a montante causam rápidas flutuações no nível do Baixo Rio Colorado próximo a Austin, Texas, EUA. Esses pulsos diários modulam a troca de fluidos e o tempo de residência na zona hiporreica onde reações biogeoquímicas são tipicamente evidentes. Os efeitos do pulso de uma pequena cheia sob condições de baixo fluxo na interação entre águas subterrâneas/águas superficiais e nos processos biogeoquímicos foram estudados pelo monitoramento e amostragem de poços em dois densos transeptos perpendiculares ao rio. O primeiro transepto registrou níveis d’água e o segundo foi utilizado para coletar as amostras de água em três profundidades. As amostras foram coletadas de 12 poços a cada 2 horas em um período de 24 horas que teve um pulso de 16 cm. As análises incluíram nutrientes, carbono, íons maiores e isótopos estáveis da água. O pulso de pequena cheia relativa não causou mistura significante na zona parafluvial. Sob essas condições, o rio e a águas subterrâneas foram desacoplados, mostrando mínima mistura potencial na interface, e não exibindo desnitrificação discernível do nitrato presente no rio. Os padrões químicos observados na zona parafluvial podem ser explicados pela evaporação das águas subterrâneas com pequena mistura com a água do rio. Assim, pulsos mais longos são necessários para que ocorra uma substancial mistura e troca hiporréica. O extenso rio regulado sob um regime de baixo fluxo e pequeno pulso de cheia funciona principalmente como um rio de ganho, com baixa conectividade hidrológica, além de uma zona hiporréica limitada.