Climatic and geologic controls on the piezometry of the Querença-Silves karst aquifer, Algarve (Portugal)

Abstract

Karst aquifers in semi-arid regions, like Querença-Silves (Portugal), are particularly vulnerable to climate variability. For the first time in this region, the temporal structure of a groundwater-level time series (1985–2010) was explored using the continuous wavelet transform. The investigation focused on a set of four piezometers, two at each side of the S. Marcos-Quarteira fault, to demonstrate how each of the two sectors of the aquifer respond to climate-induced patterns. Singular spectral analysis applied to an extended set of piezometers enabled identification of several quasi-periodic modes of variability, with periods of 6.5, 4.3, 3.2 and 2.6 years, which can be explained by low-frequency climate patterns. The geologic forcing accounts for ~15 % of the differential variability between the eastern and western sectors of the aquifer. The western sector displays spatially homogenous piezometric variations, large memory effects and low-pass filtering characteristics, which are consistent with relatively large and uniform values of water storage capacity and transmissivity properties. In this sector, the 6.5-year mode of variability accounts for ~70 % of the total variance of the groundwater levels. The eastern sector shows larger spatial and temporal heterogeneity, is more reactive to short-term variations, and is less influenced by the low-frequency components related to climate patterns.

Résumé

Les aquifères karstiques dans les régions semi-arides, comme Querença-Silves (Portugal), sont particulièrement vulnérables à la variabilité climatique. Pour la première fois dans cette région, la structure temporelle d’une série chronologique de niveaux d’eau souterraine (1985–2010) a été explorée en utilisant la transformée en ondelettes continue. L’analyse a porté sur un ensemble de quatre piézomètres, deux de chaque côté de la faille de S. Marcos-Quarteira, pour montrer comment chacun des deux secteurs de l’aquifère répond à des modèles induits par le climat. L’analyse spectrale simple appliquée à un ensemble étendu de piézomètres a permis d’identifier plusieurs modes quasi-périodiques de la variabilité, avec des périodes de 6.5, 4.3, 3.2 et 2.6 ans, ce qui peut être expliqué par les conditions climatiques de basse fréquence. La contrainte géologique compte pour ~15 % de la variabilité différentielle entre les secteurs orientaux et occidentaux de l’aquifère. Le secteur occidental montre des variations piézométriques homogènes du point de vue spatiale, de grands effets mémoire et des caractéristiques de filtrage passe-bas, qui sont conformes aux valeurs relativement grandes et uniformes de la capacité d’emmagasinnement et des propriétés de transmissivité. Dans ce secteur, le mode de variabilité de 6.5 ans représente ~70 % de la variance totale des niveaux des eaux souterraines. Le secteur oriental montre quant à lui, une plus grande hétérogénéité spatiale et temporelle; il est plus réactif aux variations à court terme et est moins influencé par les composantes basse fréquence liées aux conditions climatiques.

Resumen

Los acuíferos kársticos en regiones semiáridas, como Querença-Silves (Portugal), son particularmente vulnerables a la variabilidad climática. Por primera vez en esta región, la estructura temporal de una serie de tiempo de niveles de agua subterránea (1985–2010) fue explorada usando la transformada continua de wavelet. La investigación se enfoca en un conjunto de cuatro piezómetros, dos en cada lado de la falla San Marcos-Quarteira, para demostrar cómo cada uno de estos dos sectores del acuífero responden a patrones inducidos por el clima. Se aplica un análisis espectral singular a un conjunto extendido de piezómetros que permitieron la identificación de varios modos cuasi-periódicas de la variabilidad, con períodos de 6.5, 4.3, 3.2 y 2.6 años, que pueden ser explicados por los esquemas climáticos de baja frecuencia. Las forzantes geológicas dan cuenta de ~15 % de la variabilidad del diferencial entre los sectores este y oeste del acuífero. En el sector oeste aparecen variaciones piezométricas espacialmente homogéneas, grandes efectos de memoria y características de filtrado de pasos bajos, que son consistentes con los valores uniformes relativamente grandes de la capacidad de almacenamiento de agua y de las propiedades de la transmisividad. En este sector, el modelo de variabilidad de 6.5 años da cuenta de ~70 % de la varianza total de los niveles de agua subterránea. El sector este muestra mayor heterogeneidad espacial y temporal, es más reactivo a variaciones a corto plazo, y está menos influenciado por los componentes de baja frecuencia relativos a los esquemas climáticos.

摘要

半干旱地区的岩溶含水层,象(葡萄牙)Querença-Silves岩溶含水层,特别容易受到气候变化的影响。使用连续的微波变形法,在这个地区首次进行了地下水位时间序列(1985–2010年)的时间结构的勘查。调查集中在一套由4个测压计组成的装置上,S. Marcos-Quarteira 断层每边两个,展示含水层两部分每面对气候引起的模式是怎样反应的。扩展的一套测压计应用单光谱分析能够识别变化的几个准周期性模式,周期为6.5,4.3,3.2和2.6年,可通过低频率气候模式得到解释。地质因素占含水层东西两侧之间差别变化的大约15%。西部展示了空间上均质的测压变化、大的储存效应及低通滤波特征,这些与相对大的和相同的储水能力值和传输特性一致。在这部分,6.5年的变化模式占地下水位总变化的大约70%。东部显示,较大的空间和时间非均质性对短期变化反应更大,受到与气候模式相关的低频成分的影响较小。

Resumo

Aquíferos cársticos em regiões semiáridas como Querença-Silves (Portugal) são particularmente vulneráveis às variações climáticas. Pela primeira vez nessa região, a estrutura temporal do nível das águas subterrâneas entre 1985 e 2010 foi explorada utilizando a transformada wavelet contínua. O foco da investigação concentrou-se num conjunto de quatro piezômetros, dois em cada lado da falha de S. Marcos-Quarteira, para demonstrar como cada setor responde aos padrões induzidos pelo clima. A aplicação da análise espectral singular a um conjunto mais amplo de piezômetros possibilitou a identificação de vários modos de variabilidade quase periódicos, com períodos de 6.5, 4.3, 3.2 e 2.6 anos, que podem ser explicados por padrões climáticos de baixa frequência. O controle geológico corresponde à ~15 % da variabilidade diferencial entre os setores leste e oeste do aquífero. O setor oeste mostra variações piezométricas espacialmente homogêneas, grandes efeitos de memória e características de filtro passa-baixa, consistente com valores relativamente altos e uniformes de capacidade de armazenamento e propriedades de transmissividade. Nesse setor, o modo de variabilidade de 6.5 anos corresponde à ~70 % da variância total dos níveis de água subterrânea. O setor leste apresenta maior heterogeneidade espacial e temporal, é mais reativo às variações de curto prazo, e é menos influenciado pelos componentes de baixa-frequência relacionados às variações climáticas.