Annual shifts in O- and H-isotope composition as measures of recharge: the case of the Table Mountain springs, Cape Town, South Africa

Abstract

Tracing the flow of groundwater with little hydrochemical variability over short distances is challenging. Stable isotopes offer a solution where there is considerable variation in relief. This study used stable isotopes to delineate recharge areas and pinpoint the aquifer responsible for the many springs that issue from the lower slopes of Table Mountain in South Africa. Table Mountain rises 1,086 m above sea level (masl) and, like the surrounding south-western Cape region, experiences a Mediterranean climate. The stable isotope composition of rainfall and springs issuing from the lower slopes was measured over the 2010–2012 period, allowing comparisons over space and time. An amount effect, an altitude effect (δD = −0.48‰/100 m, δ¹⁸O = −0.075‰/100 m) and significant interannual variations (year to year ~10‰ δD and ~1‰ δ¹⁸O) in isotope composition of rainfall were observed. This enabled estimation of the average altitude of recharge to be ~300 masl, which indicates that the spring sources are aquifers comprising the scree aprons ringing the mountain, with an average groundwater flow path of about a kilometre. Matching the shifts in average annual isotope composition and deuterium excess of the springs with that of nearby rainfall suggests that some groundwater flow is fast: recharge to discharge within months. However, steady discharge rates over seasons and years indicate that flow is generally slow. Hence, a hydrogeological model is proposed with fast, recent water flowing in shallow parts of the aquifer at the same time as slow, older water in deeper parts of the aquifer.

Résumé

Tracer les flux d’eau souterraine avec une faible variabilité hydrochimique sur de faibles distances est complexe. Les isotopes stables offrent une solution lorsqu’il y a une variation importante d’altitude. Cette étude a utilisé les isotopes stables pour définir les aires de recharge et identifier les aquifères en lien avec les sources qui émergent au niveau des bas de pentes de la Montagne de la Table en Afrique du Sud. La montagne de la Table s’élève à 1,086 m au-dessus du niveau de la mer et, comme toute la région avoisinante du sud-ouest du Cap, est sous influence d’un climat Méditerranéen. La composition isotopique des pluies et des sources des bas de pentes a été mesurée sur la période 2010–2012, permettant une analyse spatiale et temporelle. Un effet de masse, un effet d’altitude (δD = −0.48‰/100 m, δ¹⁸O = −0.075‰/100 m) et des variations interannuelles significatives (d’une année sur l’autre ~10‰ δD and ~1‰ δ¹⁸O) pour la composition isotopique des pluies ont été observées. Ceci permet d’estimer l’altitude moyenne de recharge à ~300 m au- dessus du niveau de la mer, ce qui indique que les sources sont alimentées par les aquifères incluant la zone de talus d’éboulement au pied de la montagne, avec un écoulement souterrain moyen sur environ un kilomètre. La mise en adéquation des variations de la composition isotopique moyenne et l’excès en deutérium des sources avec celles des pluies proches suggère que quelques écoulements d’eaux souterraines sont rapides: de la recharge à la zone de décharge en quelques mois. Toutefois, les taux de décharge de base annuels et interannuels confirment que l’écoulement est généralement faible. Par conséquent, un modèle hydrogéologique est proposé avec un écoulement rapide, d’eau récente, dans les parties superficielles de l’aquifère, et une eau plus ancienne dans les parties plus profondes.

Resumen

El trazado del flujo de agua subterránea con poca variabilidad hidroquímica en distancias cortas es un desafío. Los isótopos estables ofrecen una solución cuando hay una variación considerable en el relieve. Este estudio utilizó isótopos estables para delinear las áreas de recarga y localizar el acuífero responsable de los numerosos manantiales que surgen de las laderas más bajas de la Table Mountain en Sudáfrica. El Table Mountain se eleva a 1,086 m sobre el nivel del mar (msnm) y, al igual que la región suroccidental del Cabo, experimenta un clima mediterráneo. La composición isotópica estable de las precipitaciones y de los manantiales procedentes de las laderas inferiores se midió en el período 2010–2012, lo que permitió realizar comparaciones en el espacio y en el tiempo. Se observó un efecto de cantidad, un efecto de altitud (δD = −0.48‰/100 m, δ¹⁸O = −0.075‰/100 m) y variaciones interanuales significativas (año a año ~10‰ δD and ~1‰ δ¹⁸O) en la composición isotópica de las precipitaciones. Esto permitió estimar que la altitud media de recarga era de ~300 msnm, lo que indica que las fuentes del manantial son acuíferos que comprenden los derrubios de grava que rodean la montaña, con un recorrido medio de flujo de agua subterránea de aproximadamente un kilómetro. La comparación de los cambios en la composición media anual de los isótopos y el exceso de euterio de los manantiales con la de las lluvias cercanas sugiere que algunos flujos de agua subterránea son rápidos: recarga para descargar en meses. Sin embargo, las tasas de descarga constante a lo largo de las estaciones y años indican que el flujo es generalmente lento. Por lo tanto, se propone un modelo hidrogeológico con agua rápida y reciente que fluye en partes poco profundas del acuífero al mismo tiempo que el agua lenta y más antigua en partes más profundas del acuífero.

摘要

追踪短距离水化学变异性很小的地下水流是一个难点。稳定同位素为地形变动相关大区域提供了解决方案。本研究使用稳定同位素来划定补给区,并确定与南非Table Mountain较低斜坡许多泉水补给相关的含水层。Table Mountain海拔1,086 m(masl),与开普敦西南部周边地区一样,是地中海气候。在2010–2012年期间测量了较低斜坡的降雨和泉水的稳定同位素组成,从而可从时空角度进行比较。观测到了降雨同位素组成的数量效应,海拔效应(δD = −0.48‰/100 m, δ¹⁸O = −0.075‰/100 m)和显著的年际变化(逐年~10‰ δD 和 ~1‰ δ¹⁸O)。因此估计补给的平均高度为~300 masl,这表明泉水补给来源是包括山周边碎石圈的含水层,平均地下水流动路径约为1千米。将泉水的年平均同位素组成和过量氘与附近降雨量的变化相比较表明,部分地下水流速很快:从补给到排泄只需要几个月。然而,季节和年份稳定排泄率表明流量一般较慢。因此,提出了一种水文地质模型,其中包括在含水层浅部流动快和新水,以及在含水层深部流动较慢和老水。

Resumo

Rastrear o fluxo de águas subterrâneas com pouca variabilidade hidroquímica em distâncias curtas é um desafio. Isótopos estáveis ​​oferecem uma solução em que há uma variação considerável no relevo. Este estudo usou isótopos estáveis ​​para delinear áreas de recarga e identificar o aquífero responsável pelas muitas nascentes que emergem das encostas mais baixas da Montanha da Mesa na África do Sul. A Montanha da Mesa se eleva 1,086 m acima do nível do mar (manm) e, como a região sudoeste do Cabo, experimenta um clima mediterrâneo. A composição isotópica estável das chuvas e nascentes das encostas inferiores foi medida no período 2010–2012, permitindo comparações no espaço e no tempo. Observou-se um efeito de quantidade, efeito de altitude (δD = −0.48‰/100 m, δ¹⁸O = −0.075‰/100 m) e variações interanuais significativas (ano a ano ~10‰ δD e ~1‰ δ¹⁸O) na composição isotópica das chuvas. Isso permitiu que a estimativa da altitude média de recarga fosse de ~300 manm, o que indica que as fontes das nascentes são aquíferos que compreendem os depósitos de talus que circundam a montanha, com um caminho médio de fluxo de águas subterrâneas de cerca de um quilômetro. Combinar as mudanças na composição anual média de isótopos e no excesso de deutério das nascentes com o das chuvas próximas sugere que algum fluxo de águas subterrâneas é rápido: recarregar para descarregar dentro de meses. No entanto, taxas de descarga constantes ao longo das estações e anos indicam que o fluxo é geralmente lento. Portanto, um modelo hidrogeológico é proposto com águas recentes e rápidas que fluem em partes rasas do aquífero ao mesmo tempo que águas mais antigas e lentas em partes mais profundas do aquífero.