J. Wenninger

A multi-method approach to quantify groundwater/surface water-interactions in the semi-arid Hailiutu River basin, northwest China

Identification and quantification of groundwater and surface-water interactions provide important scientific insights for managing groundwater and surface-water conjunctively. This is especially relevant in semi-arid areas where groundwater is often the main source to feed river discharge and to maintain groundwater dependent ecosystems. Multiple field measurements were taken in the semi-arid Bulang sub-catchment, part of the Hailiutu River basin in northwest China, to identify and quantify groundwater and surface-water interactions. Measurements of groundwater levels and stream stages for a 1-year investigation period indicate continuous groundwater discharge to the river. Temperature measurements of stream water, streambed deposits at different depths, and groundwater confirm the upward flow of groundwater to the stream during all seasons. Results of a tracer-based hydrograph separation exercise reveal that, even during heavy rainfall events, groundwater contributes much more to the increased stream discharge than direct surface runoff. Spatially distributed groundwater seepage along the stream was estimated using mass balance equations with electrical conductivity measurements during a constant salt injection experiment. Calculated groundwater seepage rates showed surprisingly large spatial variations for a relatively homogeneous sandy aquifer.RésuméL’identification et la quantification des interactions eau souterraine - eau superficielle permettent une bonne compréhension scientifique, importante pour la gestion conjointe des eaux de nappe et de surface. Ceci est particulièrement vrai dans les zones semi-arides ou l’eau souterraine est souvent la principale source d’alimentation de la rivière et le facteur de maintien des écosystèmes dépendants. De multiples mesures de terrain ont été faites dans le Bulang semi-aride, sous bassin versant de la Rivière Hailiutu dans le Nord-Ouest de la Chine, pour identifier et quantifier les interactions eau profonde souterraine - eau superficielle. Les mesures du niveau de la nappe et de la hauteur de cours d’eau durant une période d’investigation de un an indiquent une décharge continue de la nappe dans la rivière. Les mesures des températures des cours d’eau, des sédiments du lit des cours d’eau à différentes profondeurs et de la nappe, confirment le mouvement ascendant de l’eau de l’aquifère vers la rivière durant toutes les saisons. Les résultats d’un essai d’individualisation des écoulements par traçage révèlent que, même durant des évènements pluvieux majeurs, la nappe contribue beaucoup plus à l’augmentation du débit de décharge que l’écoulement superficiel direct. La distribution spatiale des émergences le long du cours d’eau a été déterminée en utilisant les équations de balance massique, grâce à des mesures de la conductivité électrique durant un test d’injection constante d’eau salée. La distribution des émergences calculée montre de larges variations spatiales, surprenantes dans un aquifère sableux relativement homogène.ResumenLa identificación y cuantificación de las interacciones entre el agua subterránea y el agua superficial proporciona importantes conocimientos científicos para manejar conjuntamente el agua superficial y el agua subterránea. Esto es especialmente relevante en áreas semiáridas donde el agua subterránea es a menudo la fuente principal para alimentar la descarga de los ríos y mantener los ecosistemas dependientes del agua subterránea. Se realizaron múltiples mediciones de campo en la cuenca semiárida de Bulang, parte de la cuenca del río Hailiutu en el noreste de China, para identificar y cuantificar las interacciones entre el agua superficial y el agua subterránea. Las medidas de los niveles de agua subterránea y de los estados de la corriente durante un período de investigación de un año indican una descarga continua de agua subterránea al río. Las medidas de la temperatura del agua de la corriente, de los depósitos en el cauce a diferentes profundidades, y del agua subterránea confirman el flujo ascendente del agua subterránea hacia la corriente durante todas las estaciones. Los resultados del ejercicio de separación de los hidrogramas basado en trazadores reveló que, aún durante eventos de fuertes lluvias, el agua subterránea contribuye mucho más al incremento de la descarga en la corriente que el escurrimiento superficial directo. La distribución espacial de la filtración del agua subterránea a lo largo de la corriente fue estimada usando ecuaciones de balance de masa con medidas de la conductividad eléctrica durante un experimento de inyección constante de sal. La tasa calculada de filtración de agua subterránea mostró variaciones espaciales sorprendentemente grandes para un acuífero arenoso relativamente homogéneo.摘要定量分析地表水和地下水的交互作用关系能为科学管理地表水和地下水资源提供依据,在主要由地下水补给地表水、维持依存于地下水的生态系统的半干旱地区尤为重要。本文在中国西北半干旱地区海流图流域的补浪河子流域采用多种方法定量分析地下水和地表水交互作用关系:地下水位和河水水位观测表明地下水持续排泄至河流;分析河水、河床不同深度的温度得出地下水持续排泄至河流;水化学和同位素基流分割结果也显示即使在降雨期间河水也是主要来源于地下水排泄。在溶解法测流试验期间进一步通过测量河水沿程电导率的方法估算了某一河段沿程地下水排泄量的变化,在相对均一的砂岩含水层,地下水沿河流的排泄量也表现出较大的空间分布差异。ResumoA identificação e a quantificação das interações entre a água subterrânea e a água superficial fornecem importantes conhecimentos para a gestão conjunta da água subterrânea e da água superficial. Isto é especialmente relevante em áreas semiáridas onde a água subterrânea é com frequência a principal origem para alimentação de caudais fluviais e para a manutenção de ecossistemas dependentes da água subterrânea. Foram efetuadas diversas medidas de campo na sub-bacia semiárida de Bulang, parcela da bacia do rio Hailiutu, no noroeste da China, para identificar e quantificar as interações entre a água subterrânea e a superficial. As medidas de níveis de água subterrânea e de escalas limnimétricas no rio, efetuadas durante um período de investigação de um ano, indicam uma descarga contínua de água subterrânea ao rio. As medidas da temperatura da água do rio, os depósitos fluviais a diferentes profundidades e a água subterrânea confirmam o fluxo ascensional da água subterrânea em direção ao rio durante todas as estações. Os resultados de um exercício de separação de componentes de um hidrograma baseado em traçadores revelam que, mesmo durante eventos fortemente pluviosos, a água subterrânea contribui muito mais para o aumento do caudal de descarga fluvial que o escoamento superficial direto. Foi estimada a drenagem difusa da água subterrânea ao longo do rio utilizando equações de balanço de massa com medidas da condutividade elétrica durante uma experiência de injeção constante de sal. As taxas de drenagem da água subterrânea que foram calculadas mostraram variações espaciais grandes, inesperadas para um aquífero arenoso relativamente homogéneo.

Simulation of maize (Zea mays L.) water use with the HYDRUS-1D model in the semi-arid Hailiutu River catchment, Northwest China

ABSTRACT Groundwater provides an important source of water for maize cultivation where the water table is shallow in the semi-arid Hailiutu River catchment of the Maowusu Desert on the Erdos Plateau in Northwest China. A HYDRUS-1D model of the unsaturated flow beneath a maize (Zea mays L.) field was calibrated and validated with measured soil water contents at various depths during the maize growing period from 30 April to 1 October 2011, and from 23 May to 27 September 2012, respectively. The model computed the actual maize evapotranspiration (ETa) as 580 mm during the whole growing period from 30 April to 1 October 2011. The groundwater contribution to ETa was calculated to be 220 mm, accounting for 38% of maize water use during the growing season in 2011. When the groundwater level drops below a depth of 157 cm, maize can no longer use groundwater for transpiration. The irrigation water requirement increases with the increase of groundwater table depth. These results are very important for managing crop irrigation in the area. EDITOR D. Koutsoyiannis ASSOCIATE EDITOR L. Ruiz

Groundwater and surface-water interactions and impacts of human activities in the Hailiutu catchment, northwest China

The interactions between groundwater and surface water have been significantly affected by human activities in the semi-arid Hailiutu catchment, northwest China. Several methods were used to investigate the spatial and temporal interactions between groundwater and surface water. Isotopic and chemical analyses of water samples determined that groundwater discharges to the Hailiutu River, and mass balance equations were employed to estimate groundwater seepage rates along the river using chemical profiles. The hydrograph separation method was used to estimate temporal variations of groundwater discharges to the river. A numerical groundwater model was constructed to simulate groundwater discharges along the river and to analyze effects of water use in the catchment. The simulated seepage rates along the river compare reasonably well with the seepage estimates derived from a chemical profile in 2012. The impacts of human activities (river-water diversion and groundwater abstraction) on the river discharge were analyzed by calculating the differences between the simulated natural groundwater discharge and the measured river discharge. Water use associated with the Hailiutu River increased from 1986 to 1991, reached its highest level from 1992 to 2000, and decreased from 2001 onwards. The reduction of river discharge might have negative impacts on the riparian ecosystem and the water availability for downstream users. The interactions between groundwater and surface water as well as the consequences of human activities should be taken into account when implementing sustainable water resources management in the Hailiutu catchment.RésuméLes interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface ont été affectées de manière significative par les activités anthropiques dans le bassin versant d’Hailiutu en contexte semi-aride, dans le Nord-Ouest de la Chine. Plusieurs méthodes ont été utilisées pour étudier les interactions spatio-temporelles entre les eaux souterraines et les eaux de surface. Les analyses isotopiques et chimiques des échantillons d’eau ont permis de déterminer que l’eaux souterraines alimentent la rivière Hailiutu, et les équations de bilan de masse ont été employées pour estimer le taux d’alimentation par les eaux souterraines le long de la rivière en utilisant des profils chimiques. La méthode de séparation d’hydrogramme a été utilisée pour estimer les variations temporelles de l’alimentation de la rivière par les eaux souterraines. Un modèle numérique de l’écoulement des eaux souterraines a été élaborée pour simuler l’alimentation par les eaux souterraines le long de la rivière et pour analyser les effets de l’utilisation des ressources en eau dans le bassin versant. Les taux d’alimentation simulés le long de la rivière s’accordent de façon raisonnable avec les estimations d’alimentation dérivées du profil chimique de 2012. Les impacts des activités anthropiques (diversion de l’eau de rivière et prélèvement en eaux souterraines) sur le débit de la rivière ont été analysés en calculant les différences entre l’alimentation naturelle simulée par les eaux souterraines et le débit mesuré de la rivière. L’utilisation de l’eau associées à la rivière Hailiutu a augmenté entre 1986 et 1991, atteignant son niveau le plus élevé entre 1992 et 2000, et décroissant à partir de 2001. La réduction du débit de la rivière peut avoir des impacts négatifs sur l’écosystème riverain et pour la disponibilité en eau pour les usagers situés en aval. Les interactions entre les eaux souterraines et les eaux de surface ainsi que les conséquences sur les activités anthropiques devraient être prises en considération lors de la mise en œuvre d’une gestion durable des ressources en eau dans le bassin versant d’Hailiutu.ResumenLas interacciones entre agua subterránea y agua superficial han sido afectadas significativamente por las actividades humanas en la cuenca semiárida de Hailiutu, noroeste de China. Se utilizaron varios métodos para investigar las interacciones espaciales y temporales entre el agua subterránea y el agua superficial. Los análisis isotópicos y químicos de las muestras de agua determinaron las descargas de agua subterránea al río Hailiutu y las ecuaciones del balance de masa fueron empleadas para estimar las tasas de filtración del agua subterránea a lo largo del río usando perfiles químicos. Se utilizó el método de separación de hidrogramas para estimar las variaciones temporales de las descargas de aguas subterráneas al río. Se construyó un modelo numérico de agua subterránea para simular las descargas de agua subterránea a lo largo del río y para analizar los efectos del uso del agua en la cuenca. Las tasas de filtración simuladas a lo largo del río se comparan razonablemente bien con las estimaciones de filtración derivadas de un perfil químico en 2012. Se analizaron los impactos de las actividades humanas (desvío de agua y captación de agua subterránea) en la descarga del río mediante el cálculo de las diferencias entre la descarga natural simulada del agua subterránea y la descarga de río medida. El uso del agua asociado con el río Hailiutu aumentó de 1986 a 1991, alcanzó su nivel más alto entre 1992 y 2000 y disminuyó a partir de 2001. La reducción de la descarga del río podría tener impactos negativos en el ecosistema ribereño y la disponibilidad de agua para los usuarios aguas abajo. Las interacciones entre el agua subterránea y el agua superficial, así como las consecuencias de las actividades humanas, deben tenerse en cuenta al aplicar una gestión sostenible de los recursos hídricos en la cuenca Hailiutu.摘要在中国西北地区半干旱的Hailiutu流域,地下水和地表水之间的相互作用受到人类活动的极大影响。采用几种方法调查了地下水和地表水之间时空上的相互作用。水样的同位素和化学分析确定地下水排泄到Hailiutu河,采用质量平衡方程利用化学剖面估算了沿河流的地下水渗入量。利用自记水位计分离方法估算了地下水排泄到河流的时间变化。建立了数值地下水模型模拟沿河流的地下水排泄,分析了流域内水利用的影响。沿河流的模拟渗入量与源自2012年化学剖面的渗入量估算结果对比良好。通过计算模拟的天然地下水排泄量和观测的河流排泄量之间的差,分析了人类活动(河水改道及地下水抽取)对河流排泄的影响。与Hailiutu河相关的水利用从1986年到1991年呈增加势态,从1992年到2000年达到最高水平,然后从2001年开始下降。河流排泄量的减少可能对河岸带生态系统及下游用水者的水利用量产生负面影响。在实施Hailiutu流域可持续的水源管理中,应该考虑地下水和地表水之间的相互作用以及人类活动的影响。ResumoAs interações entre águas subterrâneas e águas superficiais tem sido significativamente afetadas por atividades humanas na bacia hidrográfica semiárida de Hailutu, noroeste da China. Vários métodos foram utilizados para investigar as interações espaciais e temporais entre as águas subterrâneas e as águas superficiais. Análises químicas e isotópicas de amostras de água determinaram que as águas subterrâneas descarregam no Rio Hailiutu, e as equações do balanço de massa foram empregadas para estimar a infiltração de águas subterrâneas ao longo do rio utilizando perfis químicos. O método de separação do hidrograma foi utilizado para estimar as variações temporais da descarga de águas subterrâneas para o rio. Um modelo numérico de águas subterrâneas foi construído para simular a descarga de águas subterrâneas ao longo do rio e analisar os efeitos do uso da água na bacia. A taxa de infiltração estimada ao longo do rio se compara razoavelmente bem com as estimativas de infiltração derivadas de um perfil químico em 2012. Os impactos das atividades humanas (derivação de água do rio e captação de águas subterrâneas) na descarga do rio foram analisados calculando as diferenças entre a descarga natural simulada e a descarga medida no rio. Os usos da água associados ao Rio Hailiutu aumentaram de 1986 até 1991, atingindo seu mais alto nível entre 1992 até 2000, e decresceu de 2001 em diante. A redução na descarga do rio pode ter efeitos negativos no ecossistema ribeirinho e na disponibilidade de água para os usuários a jusante. As interações entre águas subterrâneas e águas superficiais, bem como as consequências das atividades humanas, devem ser levadas em conta ao implementar a gestão sustentável dos recursos hídricos na bacia de Hailiutu.

How water use of Salixpsammophila bush depends on groundwater depth in a semi-desert area

To investigate the groundwater levels changes effects on the transpiration of Salix psammophila (S. psammophila) bush, systemic measurements of meteorological conditions, sap flow of S. psammophila, soil water contents and groundwater levels were conducted in the Hailiutu River catchment, NW of China. Based on the collected field data, Hydrus-1D software package was used to calibrate water movement for root uptake in the saturated–unsaturated zone. The soil hydraulic parameters and root uptake function parameters were calibrated. The simulated results of soil water contents and sap flow fitted well with the observed ones. Based on the calibrated hydraulic parameters, different groundwater levels were imposed at the low boundary to simulate the groundwater levels changes effects on the transpiration. The relationship between ratio of actual transpiration and potential (T/Tp) and groundwater water table depth was established. The results shows that the ratio of actual transpiration and potential transpiration decreases with groundwater table depth increase as inverse ‘S’ shape. And the turn point is corresponding to the extinct depth, i.e., no groundwater contribution to S. psammophila transpiration. To further verify this phenomenon is universal, the soil hydraulic parameters were replaced with the other five groups in the calibrated forward model. The results confirmed the similar changes of Ta/Tp with the groundwater levels changed, i.e. inverse ‘S’ shape. However, the extinction depth is different corresponding to different soil hydraulic parameters. So, the research results indicated the relationship between transpiration and groundwater levels is non-linear function.