Assessing groundwater recharge and transpiration in a humid northern region dominated by snowmelt using vadose-zone depth profiles

Abstract

Profiles of the stable isotope ratios of pore water within the vadose zone provide fingerprints of the history of water percolation into a soil. These profiles, combined with profiles of the volumetric water content, can determine the timing and amount of water that has percolated during specific periods. This study aims to: (1) understand water percolation at two sites in Quebec (Canada) that experience thick snow coverage during the winter season; (2) calculate groundwater recharge rates using the peak-shift method; and (3) estimate the transpiration rate based on the water balance budget. A 7-m-deep borehole was drilled at two sites: one site is sparsely covered by vegetation (S1), while the second underlies a pine forest (S2). For all subsamples, δ¹⁸O and δ²H from the soil pore water were analyzed, volumetric water content of the cores was measured, and grain-size analyses to estimate the hydraulic properties were performed. For both boreholes, the winter–spring and summer–autumn periods were determined. Given the limited evapotranspiration occurring during the winter–spring period, recharge rates were high at both sites (71 and 75%), while the summer–autumn period had lower recharge rates of 63% (S1) and 41% (S2). A transpiration rate of 0.7 mm/day was estimated for the pine trees covering site S2. This study provides new field observations for estimating recharge based on water stable isotope profiles in a humid northern region dominated by snowmelt. Moreover, it confirms the accuracy of the peak-shift method for assessing groundwater recharge and estimating transpiration.

Résumé

Les profils du taux d’isotopes stables de l’eau des pores de la zone vadose fournissent des empreintes de l’histoire de la percolation de l’eau dans le sol. Ces profils, combinés à des profils de teneurs volumétriques en eau, peuvent déterminer le moment et la quantité d’eau qui a percolé pendant des périodes particulières. Cette étude a pour objectifs: (1) de comprendre la percolation de l’eau sur deux sites du Québec (Canada) qui connaissent un épais manteau neigeux pendant l’hiver; (2) de calculer les taux de recharge en appliquant la méthode du « décalage du pic »; (3) d’estimer le taux de transpiration sur la base du bilan hydrologique. Un forage de 7 m de profondeur a été réalisé sur les deux sites: le premier site est couvert d’une végétation clairsemée (S1), tandis que le deuxième se situe sous une forêt de pins (S2). Pour tous les échantillons, le δ¹⁸O et le δ²H de l’eau des pores du sol ont été analysés, la teneur volumétrique en eau des carottes mesurée et des analyses de la granulométrie conduites afin d’estimer les propriétés hydrauliques. Pour les deux forages, les périodes hiver–printemps et été–automne ont été définies. Etant donnée la faible évapotranspiration durant la période hiver–printemps, les taux de recharge sont élevés sur les deux sites (71 et 75%), tandis que la période été–automne montre des taux de recharge plus faibles, de 63% (S1) et 41% (S2). Un taux de transpiration de 0,7 mm/jour a été estimé pour la forêt de pins couvrant le site S2. Cette étude fournit des observations de terrain inédites pour estimer, sur la base de profils d’isotopes stables de l’eau, la recharge d’une région nordique humide dominée par la fonte des neiges. De plus, elle confirme la précision de la méthode du « décalage du pic » pour évaluer la recharge et estimer la transpiration.

Resumen

Los perfiles de las relaciones de isótopos estables del agua contenida en los poros dentro de la zona de vadosa proporcionan huellas de la evolución de la filtración del agua en el suelo. Estos perfiles, combinados con los perfiles del contenido volumétrico de agua, pueden determinar el momento y la cantidad de agua que se ha filtrado durante períodos específicos. Este estudio tiene por objeto: (1) comprender la filtración de agua en dos sitios de Quebec (Canadá) que experimentan una cobertura de nieve espesa durante la estación invernal; (2) calcular las tasas de recarga de las aguas subterráneas utilizando el método del corrimiento de los picos; y (3) estimar la tasa de transpiración sobre la base del balance hídrico. Se perforó un pozo de 7 m de profundidad en dos sitios: uno de ellos está escasamente cubierto de vegetación (S1), mientras que el segundo está debajo de un bosque de pinos (S2). En todas las submuestras se analizaron δ¹⁸O y δ²H del agua del poro del suelo, se midió el contenido volumétrico de agua en los testigos y se realizaron análisis del tamaño de los granos para estimar las propiedades hidráulicas. Para ambos sondeos se determinaron los períodos de invierno–primavera y verano–otoño. Dada la limitada evapotranspiración que se produce durante el período invierno–primavera, las tasas de recarga fueron altas en ambos sitios (71 y 75%), mientras que el período verano–otoño tuvo tasas de recarga más bajas del 63% (S1) y el 41% (S2). Se estimó una tasa de transpiración de 0.7 mm/día para los pinos que cubren el sitio S2. Este estudio proporciona nuevas observaciones de campo para estimar la recarga sobre la base de perfiles de isótopos estables en el agua en una región boreal húmeda dominada por el deshielo. Además, confirma la precisión del método de corrimiento de los picos para evaluar la recarga de las aguas subterráneas y estimar la transpiración.

摘要

包气带内孔隙水的稳定同位素比率剖面提供了水渗入土壤历史的图谱。这些剖面与体积水含量的曲线相结合,可以确定在特定时期内水下渗的时间和数量。这项研究的目的是:(1)了解魁北克(加拿大)冬季经历大雪覆盖的两个地点的入渗现象; (2)使用调峰法计算地下水的补给率; (3)根据水平衡计算估算蒸腾速率。在两个位置钻了7 m深的钻孔:一处为零星植被覆盖(S1),而另一处位于松林下面(S2)。对于所有子样本,分析了土壤孔隙水中的δ¹⁸O和δ²H,测量了岩心的体积含水量,并进行了粒度分析以估算水力特性。对于两个钻孔,确定了冬春季和夏秋季。鉴于冬春季期间的蒸发蒸腾量有限,两个地点的补给率均较高(分别为71和75%),而夏秋季期的补给率较低,分别为63%(S1)和41%(S2)。松树覆盖地点S2的蒸腾速率估计为0.7 mm/day。这项研究为基于融雪为主的潮湿北部地区的水稳定同位素剖面提供了估算补给量的新的野外观测资料。此外,它也证实了峰值偏移法用于评估地下水补给和估算蒸腾作用的准确性。

Resumo

Os perfis das relações isotópicas estáveis da água dos poros na zona vadosa fornecem impressões digitais da história da percolação da água no solo. Esses perfis, combinados com perfis de conteúdo volumétrico de água, podem determinar o tempo e a quantidade de água que percolou durante períodos específicos. Este estudo tem como objetivo: (1) entender a percolação da água em dois locais em Quebec (Canadá) onde ocorre uma forte cobertura de neve durante o inverno; (2) calcular as taxas de recarga de águas subterrâneas usando o método do deslocamento de pico; e (3) estimar a taxa de transpiração com base no resíduo do balanço hídrico. Poços de 7 m de profundidade foram perfurado em duas áreas: um em área escassamente coberta por vegetação (S1), enquanto um segundo subjacente a uma floresta de pinheiros (S2). Para todas as subamostras, a presença de δ¹⁸O e δ²H nos poros da água do solo foi analisada, o conteúdo volumétrico de água dos núcleos foi medido e análises de tamanho de grão para estimar as propriedades hidráulicas foram realizadas. Para os dois poços, foram determinados os períodos inverno–primavera e verão–outono. Dada a limitada evapotranspiração que ocorreu durante o período de inverno–primavera, as taxas de recarga foram altas nas duas áreas (71 e 75%), enquanto no verão–outono houveram taxas de recarga mais baixas, de 63% (S1) e 41% (S2). Foi estimada uma taxa de transpiração de 0.7 mm/dia para os pinheiros que cobrem a área S2. Este estudo fornece novas observações de campo para estimar a recarga com base em perfis isotópicos estáveis em água em uma região boreal úmida dominada por derretimento de neve. Além disso, confirma a precisão do método do deslocamento de pico para avaliar a recarga das águas subterrâneas e estimar a transpiração.

Appendix

Abbreviations and symbols

bgs:

Below ground surface

K _s :

Saturated hydraulic conductivity (cm/s)

K _s.eq :

Equivalent saturated hydraulic conductivity (cm/s)

K :

Unsaturated hydraulic conductivity (cm/s)

θ _V :

Volumetric water content (cm³/cm³)

θ _r :

Residual volumetric water content (cm³/cm³)