Catchment-scale groundwater-flow and recharge paradox revealed from base flow analysis during the Australian Millennium Drought (Mt Lofty Ranges, South Australia)

Abstract

Catchment-scale recharge and water balance estimates are commonly made for the purposes of water resource management. Few catchments have had these estimates ground-truthed. One confounding aspect is that runoff and soil-water inputs commonly occur throughout the year; however, in climates with strong dry seasons, base flow can be directly sampled. In an experimental catchment in the Mt. Lofty Ranges of South Australia, run-of-stream hydrochemical parameters were monitored. In this Mediterranean climate during the Millennium Drought (2001–2009), the stream was reduced to disconnected groundwater-fed pools. Two groundwater types were identified: (1) high-salinity type from meta-shale bedrock with thick, clayey regolith and (2) low-salinity type from meta-sandstone bedrock with sandy regolith. End-member mixing using silica and chloride concentrations and robust ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr ratios reveal an apparent groundwater-flow paradox as follows. According to chloride mass balance and spatial distribution of hydrogeological units, the low-salinity groundwater type has seven times more recharge than the high-salinity type. Over the 28-year record, low-salinity groundwater contributed 25% of stream water, whereas high-salinity groundwater contributed 2–5%. During the drought year, however, annual stream flow from the high-salinity groundwater contributed 50%, whereas low-salinity groundwater contributed 18%. High-salinity groundwater dominated dry-season base flow during all years. The paradox can be resolved as follows: The meta-sandstone terrane drains quickly following wet-season recharge and therefore contributes little to dry-season base flow. Conversely, the meta-shale terrane drains slowly and therefore provides stream flow during dry seasons and drought years.

Résumé

Les évaluations de la recharge et du bilan hydrique à l’échelle du bassin versant sont communément réalisées dans un but de gestion de la ressource en eau. Peu de bassins versants ont bénéficié d’une évaluation de ce genre comportant de plus, une vérification sur le terrain. Un aspect perturbant est. que le ruissellement et l’infiltration se produisent généralement tout au long de l’année. Cependant, sous les climats à fortes saisons sèches, le débit de base peut être directement appréhendé. Dans un bassin versant expérimental des chaînes de montagnes du Mont Lofty, dans le Sud de l’Australie, les paramètres hydrochimiques de l’écoulement réel ont fait l’objet d’une surveillance. Sous ce climat méditerranéen au cours de la Sècheresse du Millénaire (2001–2009), les cours d’eau ont été réduits à des pièces d’eau déconnectées alimentées par les eaux souterraines. Deux types d’eaux souterraines ont été identifiés: (1) un type à forte salinité lié à un socle de méta-schiste avec un régolithe épais et argileux et (2) un type à faible salinité lié à un socle de méta-grès avec un régolithe sableux. Le mélange des termes extrêmes, mettant en jeu les concentrations en silice et chlorure et des rapports ⁸⁷Sr/⁸⁶ Sr robustes, révèle un paradoxe apparent des eaux souterraines, qui est. le suivant: selon le bilan de masse des chlorures et la distribution spatiale des unités hydrogéologiques, le type d’eaux souterraines à basse salinité bénéficie de 7 fois plus de recharge que le type à haute salinité. Sur une période d’enregistrement de 28 ans, les eaux souterraines à basse salinité ont contribué à hauteur de 25% aux eaux de surface, tandis que les eaux souterraines à haute salinité n’ont contribué qu’à hauteur de 2 à 5%. Au cours de l’année sèche, cependant, le débit annuel du cours d’eau provenant des eaux souterraines à haute salinité a contribué à hauteur de 50% tandis que les eaux souterraines de faible salinité à hauteur de 18%. Les eaux souterraines à haute salinité ont dominé le débit de base de saison sèche pendant toutes ces années. Le paradoxe peut être résolu de la manière suivante: Le terrain de méta-grès se ressuie rapidement après la recharge de la sison humide et contribue peu ainsi au débit de base de la saison sèche. Inversement, le terrain de méta-schiste se ressuie lentement et alimente le cours d’eau pendant les saisons sèches et les années de sécheresse.

Resumen

Las estimaciones de recarga y balance hídrico a escala de cuenca se suelen plantear para la gestión de los recursos hídricos. Son escasas las cuencas que han tenido estas estimaciones comprobadas a partir de experiencias de campo. Un aspecto que resulta confuso es que el escurrimiento y los aportes de agua del suelo suelen producirse a lo largo del año. Sin embargo, en los climas con marcadas estaciones secas, el flujo de base puede ser muestreado directamente. En una cuenca experimental en Mt. Lofty Ranges de Australia Meridional se monitorearon los parámetros hidroquímicos de los flujos de escurrimiento. En este clima mediterráneo, durante la sequía del milenio (2001–2009), el caudal se redujo a lagunas desconectadas alimentadas por aguas subterráneas. Se identificaron dos tipos de aguas subterráneas: (1) el de alta salinidad procedente de un basamento de esquistos con un regolito de gran espesor y arcilla y (2) el de baja salinidad procedente de un basamento de una arenisca metamórfica con un regolito de arena. La mezcla de los miembros finales utilizando concentraciones de sílice y cloruro y las sólidas relaciones ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr revelan una aparente paradoja en el flujo subterránea, que es el siguiente: de acuerdo con el balance de masa de cloruro y la distribución espacial de las unidades hidrogeológicas, el agua subterránea de baja salinidad tiene siete veces más recarga que la de alta salinidad. En los 28 años de registro, las aguas subterráneas de baja salinidad contribuyeron con el 25% del agua de los arroyos, mientras que las aguas subterráneas de alta salinidad contribuyeron con el 2–5%. Sin embargo, durante el año de sequía, el flujo anual de los arroyos procedentes de las aguas subterráneas de alta salinidad contribuyó en un 50%, mientras que las de baja salinidad aportaron un 18%. Las aguas subterráneas de alta salinidad dominaron el flujo de base de la estación seca durante todos los años. La paradoja puede resolverse de esta manera: la arenisca metamórfica drena rápidamente después de la recarga de la estación húmeda y, por lo tanto, contribuye escasamente al flujo de base de la estación seca. Por el contrario, los esquistos drenan lentamente y por lo tanto proporcionan un flujo de caudal durante las estaciones secas y los años de sequía.

摘要

流域尺度水分补给和水平衡计算通常是为了水资源管理的目的而进行的。很少有人对流域水平衡估算进行实地验证。(在进行径流分析时)一个令人困扰的问题是,通常径流里总含有降水产流和土壤水补给。但是,在有强旱季的气候下,可以直接采集基流水样。在南澳大利亚的Lofty Ranges山的一个实验流域,我们监测了溪流的水化学参数。在这个地中海式气候的千年干旱期(2001–2009年),溪水流量减少到只剩下不连续的靠地下水补给维持的系列水洼。(我们的研究)确定了两种地下水类型:(1)来自具有厚粘土风化层的变质页岩基岩的高盐度类型;(2)来自具有砂质风化层的变质砂岩基岩的低盐度类型。基于二氧化硅、氯化物浓度、和强适用性的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr的端元混合分析揭示了研究区一个表象上的地下水流悖论:根据氯离子的质量平衡分析结果和水文地质单元的空间分布,(我们发现)低盐度型地下水的补给量是高盐度型地下水的7倍。在28年的记录中,低盐度地下水贡献了溪水的25%,而高盐度地下水只贡献了2–5%。但是,在干旱年,高盐度地下水的贡献占年径流量的50%,而低盐度地下水只贡献了18%。在所有年份中,高盐度地下水成为旱季基流的主导。对这个看起来矛盾的问题可以作如下解释:在雨季补给后,变质砂岩地层地下水很快流走,因此对旱季基流的贡献很小。相反,变质页岩地层排水缓慢,因此在干旱季节和干旱年份提供了溪流的径流量。

Resumo

As estimativas de recarga em escala de bacia e balanço hídrico são comumente feitas para fins de gestão de recursos hídricos. Poucas bacias hidrográficas tiveram essas estimativas verificadas a campo. Um aspecto confuso é que o escoamento e as entradas de água no solo geralmente ocorrem ao longo do ano. No entanto, em climas com fortes estações secas, o fluxo de base pode ser amostrado diretamente. Em uma bacia hidrográfica experimental na Cadeia do Monte Lofty, Austrália do Sul, parâmetros hidroquímicos de fluxo em corrego foram monitorados. Neste clima mediterrâneo, durante a Seca do Milênio (2001–2009), o córrego foi reduzido a piscinas alimentadas com água subterrânea desconectadas. Dois tipos de água subterrânea foram identificados: (1) tipo de alta salinidade de rocha de metaxisto com regolito argiloso espesso e (2) tipo de baixa salinidade de rocha de metarenito com regolito arenoso. A mistura de membros finais usando concentrações de sílica e cloreto e relações ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr robustas revelam um aparente paradoxo de fluxo de água subterrânea como segue: De acordo com o balanço de massa de cloreto e distribuição espacial de unidades hidrogeológicas, o tipo de água subterrânea de baixa salinidade tem sete vezes mais recarga do que o tipo de alta salinidade. Ao longo do registro de 28 anos, as águas subterrâneas de baixa salinidade contribuíram com 25% da água do córrego, enquanto as águas subterrâneas de alta salinidade contribuíram com 2 a 5%. Durante o ano de seca, no entanto, o fluxo anual da água subterrânea de alta salinidade contribuiu com 50%, enquanto a água subterrânea de baixa salinidade contribuiu com 18%. Águas subterrâneas de alta salinidade dominaram o fluxo de base da estação seca em todos os anos. O paradoxo pode ser resolvido da seguinte forma: O terreno de metarenito drena rapidamente após a recarga na estação chuvosa e, portanto, contribui pouco para o fluxo de base na estação seca. Por outro lado, o terreno com metaxisto drena lentamente e, portanto, fornece fluxo durante as estações secas e anos de seca.