An analytical methodology to estimate the changes in fresh groundwater resources with sea-level rise and coastal erosion in strip-island unconfined aquifers: illustration with Savary Island, Canada

Abstract

Closed-form analytical solutions for assessing the consequences of climate change on fresh groundwater oceanic island lenses have been developed by hydrogeologists during the last decade. Based on existing equations, this study focuses on the case of strip oceanic islands when three combined effects of climate change are observed to affect the freshwater lens volume and its groundwater resource renewal: sea-level rise, erosion, and change in groundwater recharge rates. New equations, integrating these combined effects of climate change on fresh groundwater resources are provided. These equations are solved by a novel methodology based on a Dupuit-Forchheimer groundwater flow model that allows for determination of the hydrogeological parameters included in the equations. The approach is illustrated with the strip island of Savary, which is located along the Pacific Coast of Canada in the province of British Columbia. This example illustrates, on the one hand, the volume depletion of the island freshwater lens and, on the other hand, the decrease of the renewal rate of groundwater. The proposed approach can be applied to any strip islands worldwide to assess the cumulative effects of sea-level rise and shore erosion on groundwater resources, depending on the predicted climate change scenarios. The results can then help decision-makers to anticipate the effects of climate change on the groundwater availability in strip oceanic islands and plan future groundwater use accordingly. Des solutions analytiques de forme fermée visant à estimer les conséquences du changement climatique sur les lentilles d’eau douce souterraine d’une ile océanique ont été développées par les hydrogéologues au cours de la dernière décennie. Sur la base des équations existantes, la présente étude se concentre sur le cas des îles océaniques étroites, où l’on observe trois effets conjugués du changement climatique affectant le volume de la lentille d’eau douce et le renouvellement de sa ressource en eaux souterraines: la montée du niveau de la mer, l’érosion et le changement du taux de recharge des eaux souterraines. Des équations nouvelles, intégrant les effets combinés du changement climatique sur les ressources d’eau douce souterraines sont fournies. Ces équations sont résolues à l’aide d’une nouvelle méthodologie basée sur le modèle d’écoulement des eaux souterraines de Dupuit-Forchheimer qui permet de déterminer les paramètres hydrogéologiques compris dans les équations. Cette approche est. illustrée par l’ile étroite de Savary, située sur la côte pacifique du Canada, dans la province de la Colombie Britannique. Cet exemple illustre, d’une part la diminution du volume de la lentille d’eau douce de l’ile et d’autre part la décroissance du taux de renouvellement des eaux souterraines. L’approche proposée peut être appliquée à toutes les iles étroites à travers le monde pour évaluer les effets cumulés de la montée du niveau de la mer et de l’érosion du littoral sur les ressources en eaux souterraines en fonction des scénarios de changement climatique pressentis. Les résultats peuvent ainsi aider les décideurs à anticiper les effets du changement climatique sur la disponibilité des eaux souterraines dans les iles océaniques étroites et préparer en conséquence un futur plan d’utilisation des eaux souterraines. Durante el último decenio, los hidrogeólogos han elaborado soluciones analíticas en forma limitada para evaluar las consecuencias del cambio climático en las aguas subterráneas dulces de las islas oceánicas. Sobre la base de las ecuaciones existentes, este estudio se centra en el caso de las islas de la franja costera cuando se observa que tres efectos combinados del cambio climático afectan al volumen de las lentes de agua dulce y a la renovación de sus recursos de aguas subterráneas: la elevación del nivel del mar, la erosión y el cambio en las tasas de recarga de las aguas subterráneas. Se proporcionan nuevas ecuaciones que integran estos efectos combinados del cambio climático en los recursos de agua subterránea dulce. Estas ecuaciones se resuelven mediante una novedosa metodología basada en un modelo de flujo de aguas subterráneas de Dupuit-Forchheimer que permite determinar los parámetros hidrogeológicos incluidos en las ecuaciones. El enfoque se ilustra con la franja insular de Savary, que está situada a lo largo de la costa del Pacífico del Canadá en la provincia de Columbia Británica. Este ejemplo ilustra, por una parte, el agotamiento del volumen de la lente de agua dulce en la isla y, por otra, la disminución de la tasa de renovación de las aguas subterráneas. El enfoque propuesto puede aplicarse a cualquier isla de la franja costera de todo el mundo para evaluar los efectos acumulativos del aumento del nivel del mar y la erosión de la costa en los recursos hídricos subterráneos, en función de los escenarios de cambio climático previstos. Los resultados pueden ayudar entonces a los responsables de la adopción de decisiones a prever los efectos del cambio climático en la disponibilidad de aguas subterráneas en las franjas de islas de la costa y a planificar en consecuencia la futura utilización de las aguas subterráneas. 在过去的十年, 水文地质学家已经开发出用于评估气候变化对地下淡水大洋岛透镜体的闭式解析解。基于已有方程, 本研究着重于带状海洋岛的情况, 当气候变化的三种效应(海平面上升、侵蚀和地下水补给率变化)可观察到, 从而影响淡水透镜体体积以及地下水资源的更新。提出了新的方程组, 综合整合气候变化对地下淡水资源的影响。这些方程是基于Dupuit-Forchheimer地下水流模型的新颖方法求解的, 该方法可以确定方程中包含的水文地质参数。采用Savary带状岛案例说明了这种方法, 该岛位于加拿大不列颠哥伦比亚省的加拿大太平洋沿岸。这个例子一方面说明了岛屿淡水透晶体的体积枯竭, 另一方面说明了地下水更新率的降低。所提出的方法可以应用于全球任何带状岛屿, 以根据预测的气候变化情景评估海平面上升和海岸侵蚀对地下水资源的累积影响。这些结果进而可帮助决策者预测气候变化对带状大洋岛地下水可利用性的影响, 并据此规划未来的地下水使用。 Soluções analíticas de forma fechada para avaliar as consequências das mudanças climáticas em lentes de água doce subterrânea em ilhas oceânicas foram desenvolvidas por hidrogeólogos durante a última década. Com base nas equações existentes, este estudo se concentra no caso de ilhas oceânicas em que três efeitos combinados das mudanças climáticas são observados para afetar o volume da lente de água doce e sua renovação de recursos de água subterrânea: aumento do nível do mar, erosão e mudança nas taxas de recarga da água subterrânea. São fornecidas novas equações, integrando esses efeitos combinados das mudanças climáticas nos recursos de água doce subterrânea. Essas equações são resolvidas por uma nova metodologia baseada em um modelo de fluxo subterrâneo de Dupuit-Forchheimer que permite a determinação dos parâmetros hidrogeológicos incluídos nas equações. A abordagem é ilustrada com a faixa insular de Savary, que está localizada ao longo da costa do Pacífico do Canadá, na província da Columbia Britânica. Este exemplo ilustra, por um lado, o esgotamento do volume da lente de água doce da ilha e, por outro lado, a diminuição da taxa de renovação das águas subterrâneas. A abordagem proposta pode ser aplicada a quaisquer ilhas em todo o mundo para avaliar os efeitos cumulativos do aumento do nível do mar e da erosão da costa sobre os recursos hídricos subterrâneos, dependendo dos cenários previstos de mudanças climáticas. Os resultados podem, então, ajudar os tomadores de decisão a antecipar os efeitos das mudanças climáticas sobre a disponibilidade de água subterrânea em ilhas oceânicas e planejar o uso futuro da água subterrânea de acordo.