Recharge characteristics of a phreatic aquifer as determined by storage accumulation

Abstract

The cumulative storage accumulation curve (CSAC) is a tool for saturated-volume fluctuation (SVF) analysis of transient recharge to shallow phreatic aquifers discharging only to springs. The method assumes that little underflow or phreatic evapotranspiration occurs. The CSAC is a modified water-table hydrograph that distinguishes storage increase caused by recharge from loss due to springflow-induced recession. Required for the analysis are water-table fluctuations at a single representative location within the catchment of a single spring and either direct measurements or robust interpolations of springflows at different aquifer stages. The method employs empirical manipulation of head observations, varying spring catchment area to minimize CSAC water-level changes in late portions of long recessions. Results include volumetric estimates of recharge integrated over individual events and instantaneous rates of recharge to the water table, at the temporal resolution of the water-level sampling interval. The analysis may also yield physically realistic information on spring catchment and recharge focusing. In a test case in West Virginia, USA, recharge estimates by this technique were consistent with integrated springflow time series but greater than estimates based on potential evapotranspiration. Results give insight into dynamic recharge behavior over time as well as an indication of recharge catchment size.

Résumé

La courbe cumulative de stockage est un outil d’analyse de la fluctuation du volume de la zone saturée en recharge transitoire de nappes peu profondes se déchargeant uniquement par des sources. La méthode suppose que les effets de la drainance ou de l’évapotranspiration sont faibles. La courbe cumulative de stockage est un hydrogramme de nappe modifié qui fait la distinction entre l’accroissement du stockage dû à la recharge et les pertes dues à la récession liée à l’écoulement aux sources. Sont nécessaires pour cette analyse les fluctuations de la nappe en un point unique représentatif du bassin d’alimentation d’une source unique et soit des mesures directes soit des interpolations robustes des écoulements à la source pour les différents états de l’aquifère. La méthode recourt à une manipulation empirique des observations de la piézométrie, faisant varier l’extension du bassin d’alimentation de la source, afin de minimiser les variations du niveau de la nappe liées à la courbe cumulative de stockage dans les parties lointaines des longues récessions. Les résultats prennent en compte les estimations de volume de la recharge intégré sur des événements individuels et sur des taux instantanés de recharge de la nappe, pour une résolution temporelle de l’intervalle d’observation de la nappe. L’analyse peut aussi fournir une information physiquement réaliste sur le bassin d’alimentation de la source et sur la concentration de la recharge. Dans un test effectué en Virginie occidentale (États-Unis), les estimations de la recharge par cette technique concordaient avec la chronique des débits de la source, mais étaient supérieures à celles basées sur l’évapotranspiration potentielle. Les résultats donnent un aperçu sur le comportement de la recharge dynamique au cours du temps aussi bien qu’une indication sur l’étendue de l’aire de recharge.

Resumen

La curva acumulativa de incremento de almacenamiento (acrónimo CSAC, en inglés) es una herramienta para analizar la fluctuación del volumen saturado debida a la recarga transitoria en acuíferos freáticos someros que descargan únicamente por medio de manantiales. El método presupone que la evapotranspiración desde el nivel freático es pequeña. El CSAC es un hidrógrafo modificado del nivel freático, que permite distinguir el aumento de almacenamiento causado por la recarga de la descarga a través de los manantiales. El análisis requiere conocer las fluctuaciones del nivel freático en un punto representativo dentro de la cuenca de un manantial y, o bien medidas o bien interpolaciones robustas de los caudales en el manantial, en distintas zonas del acuífero. El método emplea la manipulación empírica de las medidas de nivel, modificando el área de la zona de captación del manantial para minimizar los cambios de nivel en la CSAC, en el tramo final de series largas de recesión. Los resultados incluyen estimaciones volumétricas de la recarga, integrada sobre eventos individuales, y tasas de recarga instantáneas del acuífero, dentro de la resolución temporal del intervalo de medida del nivel. El análisis también puede proporcionar información realista de las zonas de captación y de recarga. Los valores de recarga estimados mediante esta técnica en un caso de Virgina Occidental (Estados Unidos) fueron coherentes con las series temporales integradas del caudal del manantial, pero superiores a las estimaciones basadas en la evapotranspiración potencial. Los resultados proporcionan información sobre la evolución temporal de la recarga, además de una aproximación al tamaño de la zona de captación.