Identifying and quantifying urban recharge: a review

Abstract.

The sources of and pathways for groundwater recharge in urban areas are more numerous and complex than in rural environments. Buildings, roads, and other surface infrastructure combine with man-made drainage networks to change the pathways for precipitation. Some direct recharge is lost, but additional recharge can occur from storm drainage systems. Large amounts of water are imported into most cities for supply, distributed through underground pipes, and collected again in sewers or septic tanks. The leaks from these pipe networks often provide substantial recharge. Sources of recharge in urban areas are identified through piezometry, chemical signatures, and water balances. All three approaches have problems. Recharge is quantified either by individual components (direct recharge, water-mains leakage, septic tanks, etc.) or holistically. Working with individual components requires large amounts of data, much of which is uncertain and is likely to lead to large uncertainties in the final result. Recommended holistic approaches include the use of groundwater modelling and solute balances, where various types of data are integrated. Urban recharge remains an under-researched topic, with few high-quality case studies reported in the literature.

Résumé.

Les origines et les trajets de la recharge des nappes en zones urbaines sont plus nombreux et plus complexes qu'en zones rurales. Les bâtiments, les routes et les autres infrastructures de surface se combinent avec les réseaux de drainage artificiels en modifiant les voies d'écoulements des précipitations. Une partie de la recharge directe est perdue, mais une recharge supplémentaire peut intervenir à partir des systèmes de drainage d'eaux pluviales. Des quantités importantes d'eau sont importées dans la plupart des villes pour l'alimentation, sont distribuées par des conduites souterraines et sont collectées dans des égouts ou des fosses septiques. Les fuites de ces réseaux de conduites constituent souvent une part importante de la recharge. L'origine de la recharge en zones urbaines est mise en évidence grâce à la piézométrie, aux signatures chimiques et aux bilans hydrologiques. Ces trois approches posent des problèmes. La recharge est quantifiée soit à partir de ses composantes individuelles (la recharge directe, les fuites d'eaux des réseaux, les fosses septiques, etc.), soit de façon globale. Pour travailler avec les composantes individuelles, il faut de grandes quantités de données, dont beaucoup comportent des incertitudes, et le résultat final présentera vraisemblablement des incertitudes importantes. Les approches globales recommandées s'appuient sur la modélisation de l'aquifère et les bilans de solutés, dans lesquels différents types de données sont intégrés. La recharge en zone urbaine reste un sujet délaissé par la recherche, offrant dans la littérature peu d'études de cas de bonne qualité.

Resumen.

Las fuentes y vías de recarga en zonas urbanas son más numerosas y complejas que en medios rurales. Los edificios, carreteras y otras infraestructuras superficiales se combinan con las obras antrópicas de drenaje para modificar las vías de infiltración. Una parte de la recarga directa se pierde, pero puede haber contribuciones adicionales a partir de los sistemas de drenaje de aguas pluviales. Se importa grandes volúmenes de agua a la mayoría de las ciudades para abastecimiento, siendo distribuida por medio de tuberías subterráneas, y recogida de nuevo en alcantarillas o fosas sépticas. Las pérdidas en las redes de distribución a menudo aportan una recarga substancial. Las fuentes de recarga en zonas urbanas se identifican mediante la piezometría, trazadores químicos y balances de agua, pero los tres métodos presentan problemas. La recarga se cuantifica bien por sus componentes individuales (recarga directa, goteo en tuberías, fosas sépticas, etc.) o bien de forma holística. La primera opción requiere muchos datos, a menudo inciertos, y es probable que se obtengan enormes incertidumbres en el resultado final. Los enfoques holísticos recomendados abarcan el uso de modelos de aguas subterráneas y de balance de soluto, los cuales integran varios tipos de datos. La investigación de la recarga en zonas urbanas continua siendo secundaria, disponiéndose de pocas referencias a estudios aplicados de alta calidad.