Surface-water/groundwater exchange in a sand dune lake in the Dry Pampean Plain, Argentina: stable isotopic evidence

Abstract

Understanding the hydrological functioning of the scarce freshwater bodies of semiarid regions is crucial, especially in those areas affected by anthropic activities involving land-use changes. In the dry western edge of the Argentina Pampean plains, a system of more than 100 shallow lakes of remarkable stability occurs. These lakes exhibit low salinity compared to those located in the more humid belt. This system has constituted the main water resource for humans from prehispanic times to the present. Stable isotopes were used to establish the seasonal surface-water/groundwater interactions and the hydrological conditions in a lake of the Dry Pampean Plain (DPP), i.e., Lake Los Pocitos, to understand the mechanism that guarantees such a resource. Results indicate that evaporation mainly controls the isotopic composition of lake water, overwhelming the effect of higher rainfall inputs during the wet (but also most evaporative) season. The δ¹⁸O mass balance model indicates greater groundwater inflow to the lake during the dry season (~0.4 m month⁻¹) compared to the wet season (~0.2 m month⁻¹). Lake level decreased in the wet season due to the lowest groundwater inflow and the greatest evaporation rate. Based on the proportion of water entering a lake that leaves through evaporation, Los Pocitos corresponds to a throughflow lake with a short water residence time (~0.47 years). These hydrologic conditions, along with freshwater inputs from a dune located at the western margin of the lake, determine the existence of this relatively stable and freshwater lake in the DPP where high evaporation rates are registered.

Résumé

Comprendre le fonctionnement hydrologique des régions semi-arides ayant peu de ressources en eau douce est cruciale, spécialement dans les secteurs sous pression anthropique impliquant des changements d’utilisation des sols. Dans le secteur de la bordure ouest aride des plaines de la Pampa argentine, un système de plus de 100 lacs peu profonds remarquablement stable se développe. Ces lacs montrent une faible salinité en comparaison des lacs se développant sur une ceinture plus humide. Ce système a constitué la principale ressource en eau pour les hommes depuis l’époque pré-espagnole jusqu’à aujourd’hui. Les isotopes stables ont été utilisés pour établir les interactions saisonnières entre les eaux de surface et les eaux souterraines et les conditions hydrologiques d’un lac de la plaine aride de la Pampa (DPP), à savoir le lac Los Pocitos, afin de comprendre le mécanisme qui garantit cette ressource. Les résultats indiquent que l’évaporation contrôle principalement la composition isotopique des eaux du lac, dépassant l’effet des forts apports par précipitation durant la saison humide (mais aussi de plus forte évaporation). Le modèle de bilan de masse de δ¹⁸O indique de plus forts apports au lac par les eaux souterraines durant la saison sèche (~0.4 m mois⁻¹) que durant la saison humide (~0.2 m mois⁻¹). Le niveau du lac baisse en saison humide du fait de plus faibles apports d’eau souterraine et un taux d’évaporation plus important. En se basant sur la proportion d’eau entrant dans le lac et s’évaporant, Los Pocitos correspond à un lac d’eau circulante avec un court temps de résidence (~0.47 ans). Ces conditions hydrologiques, en plus d’apports d’eau douce d’une dune localisée sur la bordure ouest du lac, détermine l’existence d’une relative stabilité et qualité d’eau douce du lac dans la DPP où de forts taux d’évaporation sont enregistrés.

Resumen

La comprensión del funcionamiento hidrológico de los escasos cuerpos de agua dulce emplazados en regiones semiáridas es crucial, especialmente en aquellas zonas afectadas por actividades antrópicas como son los cambios en el uso del suelo. En el extremo occidental de la Llanura Pampeana Seca (LPS) en Argentina, se encuentra un sistema de más de 100 lagunas poco profundas de notable estabilidad. Estas lagunas presentan una baja salinidad en comparación con las situadas en la Llanura Pampeana Húmeda, a pesar de estar sujetas a una mayor tasa de evaporación. Además, constituyen el principal suministro de agua para el ser humano desde épocas prehispánicas hasta la actualidad. Con el fin de establecer las interacciones estacionales entre el agua superficial/subterránea y las condiciones hidrológicas que garantizan la existencia de estas lagunas, se utilizaron isótopos estables del en la Laguna Los Pocitos, ubicada en la LPS. Los resultados indican que la composición isotópica del agua superficial está controlada principalmente por la evaporación, incluso en la estación húmeda donde tanto las precipitaciones como la evaporación son mayores. El modelo de balance de masas realizado mediante la utilización de δ¹⁸O indica un mayor aporte de agua subterránea a la laguna durante la estación seca (~0.4 m mes⁻¹), en comparación con la estación húmeda (~0.2 m mes⁻¹). Asimismo, se observa una disminución en el nivel de la laguna en la estación húmeda debido al menor aporte de agua subterránea y a la mayor tasa de evaporación. En base a la proporción de agua que ingresa a la laguna y a las pérdidas por evaporación, Los Pocitos corresponde a una laguna de flujo continuo con un corto tiempo de residencia del agua (~0.47 años). Estas condiciones hidrológicas, junto con los aportes de agua dulce procedentes de una duna situada en la margen occidental de dicha laguna, determinan la existencia de este relativamente estable cuerpo de agua dulce en la LPS, a pesar de las altas tasas de evaporación registradas.

摘要

认识半干旱地区珍稀淡水水体的水文功能至关重要, 尤其是在那些受到诸如土地利用变化的人类活动影响地区。在阿根廷潘帕斯平原西部干燥区, 100 多个具有显著稳定的浅水湖形成了一个系统。与位于更潮湿地区的湖泊相比, 这些湖泊的盐度较低。这个系统是从前西班牙时代到现在的人类主要水资源。利用稳定同位素建立季节性地表水/地下水相互作用和干燥的潘帕斯平原 (DPP) 湖(即Los Pocitos湖)的水文条件, 以了解保证这种资源的机制。结果表明, 蒸发主要控制湖水的同位素组成, 超过了雨季(但也是蒸发最多的)较高降雨量补给的影响。δ¹⁸O 质量平衡模型表明, 与雨季(~0.2 m month⁻¹)相比, 旱季(~0.4 m month⁻¹)有更多的地下水流入湖泊。由于地下水径流量最低, 蒸发率最大, 雨季湖水位下降。根据进入湖泊的水量和通过蒸发排泄水量的比例, Los Pocitos 湖对应于水停留时间较短(约0.47 年)的流经湖泊。这些水文条件以及来自湖西边沙丘的淡水补给, 造成了在蒸发率很高的DPP 中存在这个相对稳定的淡水湖。

Resumo

Compreender o funcionamento hidrológico dos escassos corpos de água doce de regiões semiáridas é fundamental, especialmente nas áreas afetadas por atividades antrópicas que envolvem mudanças no uso da terra. Na borda ocidental árida das Planícies dos Pampas Argentinos, ocorre um sistema de mais de 100 lagos rasos de notável estabilidade. Esses lagos apresentam baixa salinidade em comparação com aqueles localizados na faixa mais úmida. Este sistema tem sido o principal recurso hídrico para o homem desde a época pré-hispânica até o presente. Isótopos estáveis foram usados para estabelecer as interações sazonais água superficial/subterrânea e as condições hidrológicas em um lago da Planície Árida dos Pampas (PAP), por ex. o Lago Los Pocitos, para entender o mecanismo que garante tal recurso. Os resultados indicam que a evaporação controla principalmente a composição isotópica da água do lago, superando o efeito de maiores entradas de chuva durante a estação úmida (mas também mais evaporativa). O modelo de balanço de massa δ¹⁸O indica maior influxo de águas subterrâneas para o lago durante a estação seca (~0.4 m mês⁻¹) em comparação com a estação chuvosa (~0.2 m mês⁻¹). O nível do lago diminuiu na estação chuvosa devido ao menor fluxo de águas subterrâneas e à maior taxa de evaporação. Com base na proporção de água que entra no lago e sai por evaporação, Los Pocitos corresponde a um lago de fluxo direto com um curto tempo de residência na água (~ 0.47 anos). Essas condições hidrológicas, junto com as entradas de água doce da duna localizada na margem oeste do lago, determinam a existência deste lago de água doce relativamente estável na PAP, onde altas taxas de evaporação são registradas.