Integrated hydrogeological modelling of hard-rock semi-arid terrain: supporting sustainable agricultural groundwater use in Hout catchment, Limpopo Province, South Africa

Abstract

An integrated hydrogeological modelling approach applicable to hard-rock aquifers in semi-arid data-scarce Africa was developed using remote sensing, rainfall-runoff modelling, and a three-dimensional (3D) dynamic model. The integrated modelling approach was applied to the Hout catchment, Limpopo Province, South Africa, an important agricultural region where groundwater abstraction for irrigation doubled during 1968–1986. Since the 1960s, groundwater levels in irrigated areas have displayed extended periods of decline with partial or full recovery in response to major decadal rainfall events or periods. The integrated dynamic 3D hydrogeological flow model, based on the One-Water Hydrologic Flow Model (MODFLOW-OWHM), helped to understand recharge and flow processes and inform water use and management. Irrigation abstraction was estimated based on irrigated crop area delineated using the Landsat Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and crop water requirements. Using groundwater level data, the model was calibrated (2008–2012) and validated (2013–2015). Estimated mean diffuse recharge (3.3\u2009±\u20092.5% of annual rainfall) compared well with estimates from the Precipitation Runoff Modelling System model. Recharge and groundwater storage showed significant inter-annual variability. The ephemeral river was found to be losing, with mean net flux to the aquifer (focused recharge) of ~1.1% of annual rainfall. The results indicate a delicate human-natural system reliant on the small but highly variable recharge, propagating through variable pumping to an even more variable storage, making the combined system vulnerable to climate and anthropogenic changes. The integrated modelling is fundamental for understanding spatio-temporal variability in key parameters required for managing the groundwater resource sustainably.RésuméUne approche de modélisation hydrogéologique intégrée applicable aux aquifères de socle en contexte semi-aride et avec peu de données en Afrique a été développée en utilisant des données satellitaires, des modèles pluies-débit, et un modèle dynamique tridimensionnel (3D). Cette approche de modélisation intégrée a été appliquée au bassin versant du Hout, Province du Limpopo, Afrique du Sud, une région importante pour l’agriculture où les volumes pompés d’eaux souterraines pour l’irrigation ont doublé entre 1968 et 1986. Depuis les années 1960, les niveaux d’eaux souterraines dans les zones irriguées ont affiché de longues périodes de déclin avec une récupération partielle ou totale en réponse aux principaux événements ou périodes de précipitations décennale. Le modèle d’écoulement hydrogéologique en 3D, dynamique intégré, basé sur le modèle d’écoulement hydrologique One-Water (MODFLOW-OWHM), a permis de comprendre les processus de recharge et d’écoulement mais aussi de l’utilisation et de la gestion de l’eau. Les prélèvements en eaux souterraines pour l’irrigation ont été estimés sur la base d’une zone de culture irriguée délimitée par l’indice de végétation de différence normalisée à partir des images Landsat (IVDN) et les besoins en eau des végétaux. En utilisant les données piézométriques, le modèle a été calibré pour la période 2008–2012 et validée pour la période 2013–2015. La recharge moyenne diffuse estimée (3.3\u2009±\u20092.5% des précipitations annuelles) est. cohérente avec les estimations obtenues à partir du modèle Système de modélisation Pluie Ruissellement. La recharge et le stockage des eaux souterraines montrent une variabilité interannuelle significative. On a constaté que la rivière temporaire s’infiltrait, avec un flux net moyen vers l’aquifère (recharge concentrée) équivalent à ~1,1% des précipitations annuelles. Les résultats indiquent que l’anthropo-hydrosystème est. délicat, dépendant d’une petite recharge mais très variable, d’un volume stocké variable influencé par des pompages non constants, avec pour conséquence une vulnérabilité aux changements climatiques et anthropiques. La modélisation intégrée est. fondamentale pour comprendre la variabilité spatio-temporelle des paramètres clés nécessaires à la gestion durable des ressources souterraines.ResumenSe desarrolló una metodología integrada de modelado hidrogeológico aplicable a los acuíferos con escasez de datos de roca dura en el África semiárida, utilizando la teledetección, el modelado de escurrimiento superficial y un modelo dinámico tridimensional (3D). El enfoque del modelado integrado se aplicó a la cuenca de Hout, en la provincia de Limpopo (Sudáfrica), que es una importante región agrícola en la que la extracción de agua subterránea para el riego se duplicó durante 1968–1986. Desde la década de 1960, los niveles de agua subterránea en las áreas irrigadas han mostrado períodos prolongados de profundización con recuperación parcial o total en respuesta a eventos o períodos de lluvias importantes de la década. El modelo dinámico integrado de flujo hidrogeológico 3D, basado en el modelo One-Water Hydrologic Flow Model (MODFLOW-OWHM), ayudó a comprender los procesos de recarga y flujo e informar sobre el uso y la gestión del agua. La extracción de agua de riego se estimó en base al área de cultivos irrigados delineada utilizando el Índice Normalizado de Diferencia de Vegetación del Landsat (NDVI) y los requerimientos de agua de los cultivos. Utilizando datos de nivel de agua subterránea, el modelo fue calibrado (2008–2012) y validado (2013–2015). La recarga difusa media estimada (3.3\u2009±\u20092.5% de la precipitación anual) se comparó con las estimaciones del modelo Precipitation Runoff Modelling System. La recarga y el almacenamiento de agua subterránea mostraron una variabilidad interanual significativa. Se encontró que el río efímero era perdedor, con un flujo neto medio al acuífero (recarga focalizada) de ~1.1% de la precipitación anual. Los resultados indican un delicado sistema humano-natural que depende de la pequeña, pero muy variable recarga, que se propaga a través de un bombeo variable a un almacenamiento aún más variable, lo que hace que el sistema combinado sea vulnerable a los cambios climáticos y antropogénicos. El modelado integrado es fundamental para comprender la variabilidad espacio-temporal de los parámetros clave necesarios para la gestión sostenible de los recursos hídricos subterráneos.摘要利用遥感、降雨径流模型和三维(3D)动态模型开发了一种适用于非洲半干旱、数据匮乏地区硬岩含水层的综合水文地质建模方法。综合建模方法应用于南非林波波省Hout集水区,这里是一个重要的农业地区,1968–1986年期间,用于灌溉的地下水抽取量翻了一番。自20世纪60年代以来,灌区的地下水位出现了长期的下降趋势,随着主要的十年间降雨事件或降雨时期的到来,地下水才会部分或全部恢复。基于一水水文流量模型的综合动态三维水文地质流量模型有助于了解补给和水流过程并获悉用水和管理情况。根据利用陆地卫星归一化差分植被指数和作物需水量描述的灌溉作物面积对灌溉抽水量进行了估算。利用地下水位数据,对模型进行了校准(2008–2012年)和验证(2013–2015年)。估算的平均扩散补给量(年降雨量的3.3\u2009±\u20092.5%)与降水径流模型系统模型得出的估算值进行了比较。补给量和地下水储量呈显著的年际变化。发现季节性河流正在消失,流至含水层(集中补给)的平均净通量约为年降雨量的1.1%。结果表明该系统是一个依赖于少量而高度变化补给量的脆弱的人类-自然系统,通过变化的抽水传播到一个更加变化的储存上,使组合的系统容易受到气候和人为变化的影响。综合建模是了解可持续管理地下水资源所需关键参数时空变化的基础。ResumoUma abordagem de modelagem hidrogeológica integrada aplicável a aquíferos de rocha cristalina em África semiárida escassa de dados foi desenvolvida usando sensoriamento remoto, modelagem chuva-vazão e um modelo dinâmico tridimensional (3D). A abordagem de modelagem integrada foi aplicada à bacia hidrográfica de Hout, Província de Limpopo, África do Sul, uma importante região agrícola onde a captação de águas subterrâneas para irrigação dobrou durante 1968–1986. Desde a década de 1960, os níveis de águas subterrâneas em áreas irrigadas exibiram longos períodos de declínio com recuperação parcial ou total em resposta a grandes eventos ou períodos de precipitação decadal. O modelo de fluxo hidrogeológico dinâmico 3D integrado, baseado no modelo de fluxo hidrológico de água única (MODFLOW-OWHM), ajudou a entender os processos de recarga e fluxo e a informar o uso e o gerenciamento da água. A captação da irrigação foi estimada com base na área de cultivo irrigada, delineada pelo Índice de Vegetação por Diferença Normalizada (NDVI) Landsat e pela necessidade de água das culturas. Usando dados do nível de água subterrânea, o modelo foi calibrado (2008–2012) e validado (2013–2015). A recarga média difusa estimada (3.3\u2009±\u20092.5% da precipitação anual) foi bem comparada com as estimativas do modelo do Sistema de Modelagem de Precipitação. Recarga e armazenamento de água subterrânea mostraram significativa variabilidade interanual. Descobriu-se que o rio efêmero estava perdendo, com fluxo líquido médio para o aquífero (recarga focalizada) de ~1.1% da precipitação anual. Os resultados indicam um delicado sistema humano-natural dependente da pequena, mas altamente variável, recarga, propagando-se através de bombeamento variável para um armazenamento ainda mais variável, tornando o sistema combinado vulnerável a mudanças climáticas e antrópicas. A modelagem integrada é fundamental para entender a variabilidade espaço-temporal nos principais parâmetros necessários para o gerenciamento sustentável dos recursos hídricos subterrâneos.