Maximizing on-farm groundwater recharge with surface reservoir releases: a planning approach and case study in California, USA

Abstract

A hydro-economic approach for planning on-farm managed aquifer recharge is developed and demonstrated for two contiguous sub-basins in California’s Central Valley, USA. The amount and timing of water potentially available for recharge is based on a reoperation study for a nearby surface-water reservoir. Privately owned cropland is intermittently used for recharge with payments to landowners that compensate for perceived risks to crop health and productivity. Using all cropland in the study area would have recharged approximately 4.8\xa0km3 (3,900 thousand acre-feet) over the 20-year analysis period. Limits to recharge effectiveness are expected from (1) temporal variability in recharge water availability, (2) variations in infiltration rate and few high-infiltration recharge sites in the study area, and (3) recharged water escaping from the study area groundwater system to surface water and adjacent sub-basins. Depending on crop tolerance to ponding depth, these limitations might be reduced by (1) raising berm heights on higher-infiltration-rate croplands and (2) creating dedicated recharge facilities over high-infiltration-rate sites.RésuméUne approche hydro-économique visant à planifier la recharge d’un aquifère gérée en plein champ a été conçue et appliquée au niveau de deux sous-bassins contigus dans la Vallée Centrale en Californie, Etats-Unis d’Amérique. La quantité et le moment où l’eau est potentiellement disponible pour la recharge sont définis à partir d’une étude de reconfiguration d’un réservoir d’eau de surface situé à proximité. Les terres cultivées sur des propriétés privées sont utilisées par intermittence pour la recharge, avec une indemnisation des propriétaires pour compenser les risques identifiés concernant l’état des cultures et leur productivité. En ayant recours à la totalité des terres cultivées de la zone d’étude permettrait une recharge d’environ 4.8\xa0km3 (1,560 milliers d’hectares) au cours de la période d’analyse sur 20 ans. Des limites à l’efficacité de la recharge sont attendues (1) de la variabilité temporelle de la disponibilité en eau de recharge, (2) des variations du taux d’infiltration et du faible nombre de sites à forte recharge dans l’aire d’étude, et (3) des fuites de l’eau rechargée hors du système hydrogéologique vers les eaux de surface et les sous-bassins adjacents. En tenant compte de la tolérance des cultures à la hauteur d’inondation, ces limitations peuvent être réduites (1) en augmentant la hauteur des digues dans les terres cultivées à fort taux d’infiltration et (2) en créant des infrastructures de recharge dédiées pour les sites à fort taux d’infiltration.ResumenSe desarrolló y demostró un enfoque hidroeconómico para planificar la recarga de acuíferos administrados en fincas de dos subcuencas contiguas en el Valle Central de California, EEUU. La cantidad y el tiempo del agua potencialmente disponible para la recarga se basan en un estudio de reoperación para un embalse de agua superficial cercano. Las tierras de cultivo de propiedad privada se utilizan de forma intermitente para la recarga con pagos a los propietarios de la tierra que compensan los riesgos percibidos para la salud y la productividad de los cultivos. El uso de todas las tierras de cultivo en el área de estudio se habría recargado aproximadamente 4.8\xa0km3 (3,900 mil acres-pie) durante el período de análisis de 20 años. Se esperan límites para la efectividad de la recarga a partir de (1) variabilidad temporal en la disponibilidad de agua de recarga, (2) variaciones en la tasa de infiltración y pocos sitios de recarga de alta infiltración en el área de estudio, y (3) agua recargada que se escapa del sistema de agua subterránea del área de estudio al agua superficial y subcuencas adyacentes. Dependiendo de la tolerancia del cultivo a la profundidad del embalse, estas limitaciones podrían reducirse en (1) elevando las alturas de los terraplenes en las tierras de cultivo con mayor índice de infiltración y (2) creando instalaciones de recarga dedicadas en los sitios con alto índice de infiltración.摘要在美国加州中央谷的两个相邻的子盆地,开发并论证了一种规划农田管理含水层补给的水文经济方法。可供补充的水量和时间是根据附近地表水水库的再运行研究确定的。私人拥有的农田被间歇性地用于向土地所有者支付补偿,以补偿作物健康和生产力可能面临的风险。在20年的分析期间,使用研究地区的所有耕地将补充约4.8\xa0km3(390万英亩-英尺)。研究区补水有效性的限制包括:(1)补水有效性的时间变异性;(2)研究区入渗速率的变化和高入渗补水点较少;(3)从研究区地下水系统向地表水及邻近亚盆地补水。根据作物对积水深度的耐受性,这些限制可以通过以下措施来降低:(1)在入渗率较高的农田上提高护堤高度;(2)在入渗率较高的土地上建立专用的补给设施。ResumoUma abordagem hidro-econômica para o planejamento da recarga de aquíferos gerenciados na fazenda é desenvolvida e demonstrada para duas subacias contíguas no Vale Central da Califórnia, EUA. A quantidade e o tempo da água potencialmente disponível para recarga é baseado em um estudo de reoperação para um reservatório de água de superfície próximo. As terras de propriedade privada são utilizadas de forma intermitente para recarregar com pagamentos a proprietários de terras que compensam os riscos percebidos para a saúde e a produtividade das culturas. O uso de todas as terras cultiváveis \u200b\u200bna área de estudo teria recarregado aproximadamente 4.8\xa0km3 (3,900 mil acres) ao longo do período de análise de 20 anos. Os limites para a efetividade da recarga são esperados de (1) variabilidade temporal na disponibilidade de água de recarga, (2) variações na taxa de infiltração e poucos locais de recarga de alta infiltração na área de estudo, e (3) água recarregada escapando do sistema de águas subterrâneas da área de estudo para águas superficiais e subacias adjacentes. Dependendo da tolerância da cultura à profundidade das represas, essas limitações podem ser reduzidas por (1) elevação das alturas de barragens em terras de alta taxa de infiltração e (2) criação de instalações de recarga dedicadas em locais de alta taxa de infiltração.