Analytical methods that use natural heat as a tracer to quantify surface water–groundwater exchange, evaluated using field temperature records

Abstract

Two methods applying natural heat as a tracer to quantify surface water–groundwater exchange were evaluated using field data. Arrays capable of monitoring and recording the streambed response to diurnal temperature variations in the surface water were deployed for a 2-month period in three locations in perennial pools at Maules Creek, New South Wales, Australia. Multi-level array design, field deployment and parameter estimation are discussed. The applicability of analytical solutions derived from the heat transport equation to the streambed environments was analysed using the recorded temperature time series. The stream was found to lose water to the aquifer, which was supported by simultaneously recorded hydraulic gradients. However, the one-dimensional (1D) analytical solutions did not adequately describe the observed streambed thermal response at two locations. The resulting artefacts in the estimated flow velocities are discussed. It was hypothesised that the artefacts originate from model limitation due to streambed heterogeneity and application of 1D solutions to multi-dimensional and dynamic streambed flow. This consequently imposes limitations on the field applicability of the methods. Nevertheless, in combination with time series of surface water and streambed water levels, the use of heat as a tracer provided a powerful tool for better understanding the shallow hydrogeological system.

Résumé

Deux méthodes utilisant la chaleur naturelle comme marqueur pour quantifier un échange eau de surface-eau de nappe ont été mises en œuvre utilisant des données de terrain. Des dispositifs capables de suivre et d’enregistrer dans le lit mineur la réponse de l’eau de surface aux variations de température diurne ont été mis en place pendant une période de 2 mois en trois emplacements sur biefs pérennes à Maules Creek, Nouvelle Galle du Sud, Australie. L’architecture du dispositif, la répartition spatiale et l’adéquation des paramètres sont discutés. La validité des solutions analytiques de l’équation d’échange de chaleur avec l’environnement du lit mineur a été étudiée en utilisant les chroniques de température enregistrées. On a montré que le cours d’eau se décharge dans l’aquifère, ce qui est en conformité avec les gradients hydrauliques enregistrés simultanément. Toutefois, les solutions analytiques à une dimension (1D) n’ont pas décrit de façon satisfaisante la réponse thermique du lit mineur en deux emplacements. Les anomalies résultantes dans le flux estimé sont discutées. On suppose que les anomalies résultent d’une limitation du modèle due à l’hétérogénéité du lit mineur et à l’application de solutions 1 D pour modéliser un flux dans un espace multi-dimensionnel. Ceci limite par suite l’application des méthode sur le terrain. Cependant, avec les chroniques températures de surface-niveaux du lit mineur, l’utilisation de la chaleur comme traceur constitue un outil puissant pour mieux comprendre le système hydrogéologique superficiel.

Resumen

Se evaluaron dos métodos que utilizan el calor natural como un trazador para cuantificar el intercambio aguas superficial – agua subterránea usando datos de campo. Se implementaron dispositivos capaces de monitorear y registrar la respuesta del lecho del río a variaciones diurnas de las temperaturas en la superficie del agua para un período de 2 meses en tres sitios en los cuerpos de agua perennes en el arroyo Maules, Nueva Gales del Sur, Australia. Se discuten el diseño del dispositivo multi – nivel, la implementación de campo y la estimación de los parámetros. Se analiza la aplicabilidad de soluciones analíticas desarrolladas a partir de la ecuación de transporte de calor a los ambientes del lecho del río usando las series temporales registrada de las temperaturas. Se encontró que la corriente pierde agua hacia acuífero, lo cual fue confirmado por los gradientes hidráulicos registrados simultáneamente. Sin embargo, las soluciones analíticas unidimensional (1D) no describieron adecuadamente la respuesta térmica del lecho del río observada en dos sitios. Se discuten los productos resultantes de la estimación de las velocidades de flujo. Se formuló la hipótesis que los productos se originaban a partir de las limitaciones del modelo debido a la heterogeneidad del lecho del río y la aplicación de soluciones 1D al flujo dinámico y multidimensional en el lecho del río. Esto consecuentemente impone limitaciones en la aplicabilidad a los métodos de campo. Sin embargo, la combinación del uso de calor como un trazador con las series temporales de los niveles de aguas superficiales y del lecho del río, proporciona una herramienta poderosa para entender mejor el sistema hidrogeológico somero.

摘要

用野外数据评价了两个以天然热作为示踪剂来量化地表水-地下水交换量的方法。将可监测和记录河床对地表水日温度变化响应的阵列布置在澳大利亚新南威尔士州Maules Creek的三个常年有水的水池里, 测试期2个月。对多水平阵列设计、野外布置和参数估计进行了讨论。通过记录的温度时间序列, 分析了基于热传导方程的解析解对河床环境的适用性。研究发现, 溪水有一部分下渗到含水层中, 这为同时记录的水力梯度证实。然而在两个研究区, 一维解析解并不能适当地描述观测到的河床热响应。还讨论了估计的水流速度下产生的假象。认为这种假象的发生源于将模型用于河床具不均一性和把一维解法应用于多维及动力流情形时所产生的局限性。这导致了这种方法在野外应用上的局限性。不过, 当与地表水和河床水位时间序列联合应用时, 把热作为一种示踪剂为更好的理解浅部水文地质系统提供了非常有用的工具。

Resumo

Foram avaliados dois métodos de aplicação de calor natural como marcador para quantificar a troca de águas de superfície/águas subterrâneas usando dados de campo. Foram utilizados instrumentos com capacidade de monitorizar e registar a resposta do leito às variações de temperatura diurna na água de superfície. Esses instrumentos foram implantados, durante um período de 2 meses, em três locais, em pegos perenes no Ribeiro de Maules, Nova Gales do Sul, Austrália. São discutidos o esquema de configuração multi-nível, a implantação de campo e a estimação de parâmetros. A aplicabilidade das soluções analíticas derivadas da equação de transporte de calor para os ambientes de leito foi analisada, utilizando séries temporais de registo de temperatura. Detectou-se que a linha de água perdia água para o aquífero, facto que foi apoiado pelo registo simultâneo de gradientes hidráulicos. No entanto, as soluções analíticas unidimensionais (1D) não descrevem adequadamente a resposta térmica do leito observada em dois locais. São discutidos os resultados erróneos na estimação das velocidades de fluxo. Foi colocada a hipótese dos erros serem originados pela limitação do modelo, devido à heterogeneidade do leito do ribeiro e à aplicação de soluções unidimensionais (1D) a fluxos multi-dimensionais e dinâmicos de leito de rio. Em consequência, este facto leva à imposição de limitações sobre a aplicabilidade dos métodos. No entanto, em combinação com a série histórica das águas superficiais e os níveis de água do leito do rio, o uso do calor como um traçador proporcionou uma poderosa ferramenta para a melhor compreensão do sistema hidrogeológico pouco profundo.