Delineation of spring recharge zones using environmental isotopes to support climate-resilient interventions in two mountainous catchments in Far-Western Nepal

Abstract

Though springs are the primary source of water for communities in the mid-hills of Nepal, an in-depth scientific understanding of spring systems is missing, preventing the design of effective climate-resilient interventions for long-term sustainability of springs. This study marks the first attempt to combine environmental isotopes analysis with hydrometric and hydrogeological measurements to identify dominant recharge zones for springs in two mountainous catchments—Banlek and Shikarpur—in Far-Western Nepal. In total, 422 water samples collected from rainfall, springs and streams between March 2016 and March 2017 were analyzed for their isotopic composition (δ18O and δD). Isotopic composition of rainwater shows seasonality, suggesting that different sources of water vapor cause rains in monsoon and in dry season. Rainfall responses of individual springs were used to identify connections to unconfined and deeper groundwater strata. The isotopic composition of springs in the two catchments ranges from −9.55 to −8.06‰ for δ18O and\u2009−67.58 to −53.51‰ for δD. The isotopic signature of the spring sources falls close to the local meteoric water line for the corresponding season, indicating strong rainfall contribution to springs. Altitudinal isotopic gradients suggest mean recharge elevation of 2,600–2,700\xa0m asl for springs in Shikarpur, which lies beyond the surface-water catchment, and a recharge elevation of 1,000–1,100\xa0m asl for Banlek, which partially extends beyond the surface-water catchment. The demarcated recharge zones will be used by government agencies to implement recharge interventions to increase the resiliency and reliability of springs in Far-Western Nepal.RésuméBien que les sources constituent la principale source d’alimentation en eau pour les communautés situées au milieu des collines du Népal, il manque une compréhension scientifique approfondie du fonctionnement des sources, ce qui empêche de concevoir des interventions résilientes efficaces face au changement climatique, pour assurer la pérennité des sources. Cette étude marque la première tentative de combiner l’analyse des isotopes environnementaux et les mesures hydrométriques et hydrogéologiques pour identifier les zones de recharge dominantes des sources de deux bassins versants montagneux—Banlek et Shikarpur—dans l’Extrême-ouest du Népal. Au total, 422 échantillons d’eau prélevés dans les pluies, les sources et les cours d’eau entre mars 2016 et mars 2017 ont été analysés en fonction de leur composition isotopique (δ18O et δD). La composition isotopique de l’eau de pluie montre une saisonnalité, ce qui suggère que des sources différentes de vapeur d’eau provoquent les pluies en mousson et en saison sèche. Les réponses des sources individuelles aux épisodes pluvieux ont été utilisées pour identifier les connexions à des aquifères libres ou profonds. La composition isotopique des sources dans les deux bassins versants varie de –9.55 à –8.06‰ pour δ18O et –67.58 à –53.51‰ pour δD. La signature isotopique des sources des émergences est proche de la droite météorique locale pour la saison correspondante, ce qui indique une forte contribution des pluies aux sources. Les gradients isotopiques altitudinaux suggèrent une altitude moyenne de recharge comprise entre 2,600 et 2,700 m (au-dessus du niveau de la mer (anm)) pour les sources de Shikarpur, qui se trouvent au-delà du bassin versant des eaux de surface, et une altitude de recharge de 1,000–1,100 m (anm) pour Banlek, qui s’étend partiellement au-delà du bassin versant. Les zones de recharge délimitées seront utilisées par les agences gouvernementales pour mettre en œuvre des interventions de recharge afin d’accroître la résilience et la durabilité des sources dans l’Extrême-ouest du Népal.ResumenAunque los manantiales son la principal fuente de agua para las comunidades de las serranías medias de Nepal, falta un conocimiento científico profundo de los sistemas de los manantiales, lo que impide el diseño de intervenciones eficaces y resilientes al clima para la sostenibilidad a largo plazo de los manantiales. Este estudio marca el primer intento de combinar el análisis de isótopos ambientales con mediciones hidrométricas e hidrogeológicas para identificar las zonas dominantes de recarga de manantiales en dos cuencas montañosas—Banlek y Shikarpur—en el extremo oeste de Nepal. Se analizaron un total de 422 muestras de agua recolectadas de lluvias, manantiales y arroyos entre marzo de 2016 y marzo de 2017 para determinar su composición isotópica (δ18O and δD). La composición isotópica del agua de lluvia muestra estacionalidad, lo que sugiere que diferentes fuentes de vapor de agua causan lluvias en el monzón y en la estación seca. Las respuestas de las precipitaciones en los manantiales individuales se utilizaron para identificar conexiones con estratos de agua subterránea no confinados y más profundos. La composición isotópica de los manantiales de las dos cuencas va de –9.55 a –8.06‰ para δ18O y de –67.58 a –53.51‰ para δD. La firma isotópica de las fuentes de manantiales cae cerca de la línea de agua meteórica local para la estación correspondiente, lo que indica una fuerte contribución de las lluvias a los manantiales. Los gradientes isotópicos altitudinales sugieren una elevación media de la recarga de 2,600–2,700 msnm para los manantiales de Shikarpur, que se encuentra más allá de la cuenca de aguas superficiales, y una elevación de recarga de 1,000–1,100 msnm para Banlek, que se extiende parcialmente más allá de la cuenca. Las zonas de recarga demarcadas serán utilizadas por los organismos gubernamentales para llevar a cabo intervenciones de recarga a fin de aumentar la confiabilidad y la resiliencia de los manantiales en Far-Western Nepal.摘要虽然泉水是尼泊尔中山地区社区的主要水源, 但缺乏泉水系统的深入科学认识, 也就无法设计出保证泉水利用的长期可持续性的有效的气候适应性应对措施。本研究首次尝试结合环境同位素分析与水文和水文地质测量来确定尼泊尔西部的两个山区流域(Banlek和Shikarpur)泉水主要补给区。在2016年3月至2017年3月期间从降雨、泉水和河流中共收集到422个水样, 分析了同位素组成(δ18O和δD)。雨水的同位素组成具有季节性特征, 表明不同的水汽来源会引起季风和旱季降雨。应用单个泉水的降雨响应来识别与潜水和更深层地下水的联系。两个流域的泉水同位素组成δ18O为–9.55至–8.06‰, δD为–67.58 –53.51‰。泉水来源的同位素特征与该季节的当地大气降水线相近, 表明降雨对泉水的贡献很大。同位素海拔梯度表明Shikarpur的泉水平均补给高度为2,600至2,700米, 这位于地表水流域以外; Banlek的补给高度为1,000至1,100米, 部分延伸到流域以外。政府机构将使用划定的补给区来制定补给应对措施, 以提高尼泊尔西部地区的泉水利用的适应性和可靠性。ResumoEmbora as nascentes sejam a principal fonte de água para as comunidades nas colinas do Nepal, está faltando uma compreensão científica aprofundada dos sistemas de nascentes, impedindo o planejamento de intervenções climatologicamente resiliêntes para a sustentabilidade de nascentes a longo prazo. Este estudo marca a primeira tentativa para combinar análise de isótopos ambientais com medições hidrométricas e hidrogeológicas para identificar as zonas de recarga dominantes em duas bacias montanhosas—Banlek e Shikarpur—no Extremo Oeste do Nepal. No total, 422 amostras de água de chuva, nascentes e rios coletadas entre março de 2016 e março de 2017 foram analisadas para determinar a composição isotópica (δ18O e δD). A composição isotópica da chuva mostrou sazonalidade, sugerindo que diferentes fontes de vapor causam chuvas nas monções e no período seco. Respostas da precipitação em nascentes individuais foram usada para identificar conexões entre camadas de água subterrânea não confinados e mais profundos. A composição isotópica das nascentes das duas bacias variou de –9.55 a –8.05‰ para δ18O e –67.58 a –53.51‰ para δD. As assinaturas isotópicas das fontes das nascentes apresentam-se perto da reta meteórica local para a estação correspondente, indicando forte contribuição da precipitação para as nascentes. Os gradientes isotópicos da altitude sugerem uma elevação média da recarga de 2,600–2,700 m para nascentes em Shikarpur, que fica além da bacia hidrográfica, e uma elevação de recarga de 1,000—1,100 m acima do nível do mar para Banlek, que se estende parcialmente além da bacia. As zonas de recarga demarcadas serão usadas por agências governamentais para implementar intervenções de recarga para aumentar a resiliência e a confiabilidade das nascentes no Extremo Oeste do Nepal.