Groundwater recharge influenced by ephemeral river flow and land use in the semiarid Limpopo Province of South Africa

• Published in: Hydrogeology journal Vol. 31; no. 8; pp. 2291 - 2306
• Main Authors: Lindle, J., Villholth, K. G., Ebrahim, G. Y., Sorensen, J. P. R., Taylor, R. G., Jensen, K. H.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 01.12.2023
• ISSN: 1431-2174; 1435-0157
• DOI: 10.1007/s10040-023-02682-x

Determining the sustainability of groundwater use in drylands with high climate variability is complex. Central to this determination is an understanding of groundwater recharge and associated processes and controls. Groundwater recharge in drylands can occur by diffuse and focused recharge (focused recharge being associated with intense episodic rainfall events and ephemeral river flow, predicted to increase and intensify with climate change). This study evaluated the relative significance and dominant controls on these two recharge processes. Ten groundwater hydrographs with multidecadal observations were collated from the Limpopo Province, South Africa, based on their proximity to river channels and rain gauges, representing diversity in local climate, landscape, vegetation, and hydrogeological conditions. The hydrographs showed that groundwater-level rises are sensitive to rainfall intensity during the rainy season, with generally larger increases after years with large episodic rainfall events, which disproportionately contribute to groundwater replenishment. Recharge processes and annual recharge volumes were quantified using the water-table fluctuation method and the numerical model HYDRUS-1D. This allowed for the inference of additional recharge contributions from focused recharge in proximity to ephemeral rivers, up to a factor of five relative to diffuse recharge. The analysis revealed synchronicity and linear correlation between annual river discharge and recharge close to the river, substantiating the importance of focused recharge close to the river network. The study showed that recharge in drylands is subject to large spatial and temporal variation and that consideration of focused and episodic recharge is critically important for managing groundwater resources at various scales in these regions. La détermination de la durabilité de l’utilisation des eaux souterraines dans les zones arides à forte variabilité climatique est complexe. Pour ce faire, il est essentiel de comprendre la recharge des eaux souterraines et les processus et contrôles associés. La recharge des eaux souterraines dans les zones arides peut être diffuse ou concentrée (la recharge concentrée étant associée à des précipitations épisodiques intenses et à un débit fluvial éphémère, dont on prévoit l’augmentation et l’intensification avec le changement climatique). Cette étude a évalué l’importance relative et les contrôles dominants de ces deux processus de recharge. Dix hydrogrammes d’eaux souterraines avec des observations multidécennales ont été rassemblés dans la province du Limpopo, en Afrique du Sud, sur la base de leur proximité avec les cours d’eau et les pluviomètres, représentant la diversité du climat local, du paysage, de la végétation et des conditions hydrogéologiques. Les hydrogrammes ont montré que l’augmentation du niveau des eaux souterraines est sensible à l’intensité des précipitations pendant la saison des pluies, avec des augmentations généralement plus importantes après les années marquées par de grands événements pluvieux épisodiques, qui contribuent de manière disproportionnée à la reconstitution des eaux souterraines. Les processus de recharge et les volumes de recharge annuels ont été quantifiés à l’aide de la méthode de fluctuation de la nappe phréatique et du modèle numérique HYDRUS-1D. Cela a permis de déduire des contributions supplémentaires de recharge concentrée à proximité des rivières éphémères, jusqu’à un facteur de cinq par rapport à la recharge diffuse. L’analyse a révélé une concomitance et une corrélation linéaire entre le débit annuel de la rivière et la recharge à proximité de la rivière, ce qui confirme l’importance d’une recharge localisée à proximité du réseau fluvial. L’étude a montré que la recharge dans les zones arides est sujette à de grandes variations spatiales et temporelles et que la prise en compte de la recharge localisée et épisodique est d’une importance capitale pour la gestion des ressources en eaux souterraines à différentes échelles dans ces régions. La determinación de la sostenibilidad del uso de las aguas subterráneas en zonas áridas con una gran variabilidad climática es compleja. Para ello es fundamental comprender la recarga de las aguas subterráneas y los procesos y controles asociados. La recarga se puede producir por recarga difusa o focalizada (la recarga focalizada se asocia a episodios de precipitaciones intensas y a caudales fluviales efímeros, y se prevé que aumente y se intensifique con el cambio climático). Este estudio evaluó la importancia relativa y los controles dominantes en estos dos procesos de recarga. Se cotejaron diez hidrogramas de aguas subterráneas con observaciones multidecadales de la provincia sudafricana de Limpopo, en función de su proximidad a canales fluviales y pluviómetros, que representaban la diversidad del clima, el paisaje, la vegetación y las condiciones hidrogeológicas locales. Los hidrogramas mostraron que los aumentos del nivel de las aguas subterráneas son sensibles a la intensidad de las precipitaciones durante la estación lluviosa, con aumentos generalmente mayores después de años con episodios de alta pluviosidad, que contribuyen desproporcionadamente a la recarga de las aguas subterráneas. Los procesos de recarga y los volúmenes anuales de recarga se cuantificaron mediante el método de fluctuación del nivel freático y el modelo numérico HYDRUS-1D. Esto permitió inferir contribuciones adicionales de recarga a partir de la recarga focalizada en la proximidad de ríos efímeros, hasta un factor de cinco en relación con la recarga difusa. El análisis reveló una sincronía y una correlación lineal entre la descarga anual del río y la recarga cerca del río, lo que corrobora la importancia de la recarga focalizada cerca de la red fluvial. El estudio demostró que la recarga en las zonas áridas está sujeta a importantes variaciones espaciales y temporales y que la consideración de la recarga focalizada y episódica es de vital importancia para la gestión de los recursos de aguas subterráneas a diversas escalas en estas regiones. 干旱地区高气候变异性条件下地下水可持续利用是一个复杂的问题。决定这一问题的核心是对地下水补给和相关过程与控制的理解。在干旱地区，地下水补给可以通过扩散和集中补给来实现(集中补给与强烈的间歇性降雨事件和间歇性河流流量有关，预计随着气候变化增加和加剧)。本研究评估了这两种补给过程的相对重要性和主要控制因素。根据它们与河道和雨量计的距离，从南非Limpopo省收集了十个地下水水位过程线，这些水位过程线代表了当地气候、地貌、植被和水文地质条件的多样性。水位过程线显示，在雨季期间，地下水位上升对降雨强度敏感，一般来说，大型间歇性降雨事件年份后地下水位上升更大，这些事件或多或少地贡献了地下水补给。利用水位波动法和数值模型HYDRUS-1D量化了补给过程和年度补给量。这使得可以推断出与间歇性河流近邻的集中补给的额外贡献，相对于扩散补给可达到五倍的比例。分析结果显示，年度河流流量与近邻河流的补给之间存在同步性和线性相关性，证实了靠近河流网络的集中补给的重要性。研究表明，干旱地区的补给受到较大的空间和时间变化的影响，并且在这些地区的不同尺度上管理地下水资源时，考虑到集中和间歇性补给是至关重要的。 Determinar a sustentabilidade do uso de águas subterrâneas em terras áridas com alta variabilidade climática é complexo. Central para esta determinação é uma compreensão da recarga de águas subterrâneas e processos e controles associados. A recarga das águas subterrâneas em terras áridas pode ocorrer por recarga difusa e pontual (a recarga pontual está associada a eventos de chuvas episódicas intensas e fluxo efêmero do rio, previsto para aumentar e se intensificar com as mudanças climáticas). Este estudo avaliou a significância relativa e os controles dominantes nesses dois processos de recarga. Dez hidrogramas de águas subterrâneas com observações multidecadais foram coletados da Província de Limpopo, África do Sul, com base em sua proximidade com canais de rios e pluviômetros, representando a diversidade no clima local, paisagem, vegetação e condições hidrogeológicas. Os hidrogramas mostraram que os aumentos do nível do lençol freático são sensíveis à intensidade da chuva durante a estação chuvosa, com aumentos geralmente maiores após anos com grandes eventos de chuva episódica, que contribuem desproporcionalmente para a reposição do lençol freático. Os processos de recarga e os volumes anuais de recarga foram quantificados usando o método de flutuação do lençol freático e o modelo numérico HYDRUS-1D. Isso permitiu a inferência de contribuições de recarga adicionais de recarga focada nas proximidades de rios efêmeros, até um fator de cinco em relação à recarga difusa. A análise revelou sincronicidade e correlação linear entre a descarga fluvial anual e a recarga próxima ao rio, substanciando a importância da recarga concentrada próxima à rede fluvial. O estudo mostrou que a recarga em terras áridas está sujeita a grandes variações espaciais e temporais e que a consideração da recarga focada e episódica é extremamente importante para o gerenciamento dos recursos hídricos subterrâneos em várias escalas nessas regiões.