A multi-method approach for groundwater resource assessment in coastal carbonate (karst) aquifers: the case study of Sierra Almijara (southern Spain)

Abstract

Understanding the transference of water resources within hydrogeological systems, particularly in coastal aquifers, in which groundwater discharge may occur through multiple pathways (through springs, into rivers and streams, towards the sea, etc.), is crucial for sustainable groundwater use. This research aims to demonstrate the usefulness of the application of conventional recharge assessment methods coupled to isotopic techniques for accurately quantifying the hydrogeological balance and submarine groundwater discharge (SGD) from coastal carbonate aquifers. Sierra Almijara (Southern Spain), a carbonate aquifer formed of Triassic marbles, is considered as representative of Mediterranean coastal karst formations. The use of a multi-method approach has permitted the computation of a wide range of groundwater infiltration rates (17–60%) by means of direct application of hydrometeorological methods (Thornthwaite and Kessler) and spatially distributed information (modified APLIS method). A spatially weighted recharge rate of 42% results from the most coherent information on physiographic and hydrogeological characteristics of the studied system. Natural aquifer discharge and groundwater abstraction have been volumetrically quantified, based on flow and water-level data, while the relevance of SGD was estimated from the spatial analysis of salinity, ²²²Rn and the short-lived radium isotope ²²⁴Ra in coastal seawater. The total mean aquifer discharge (44.9–45.9 hm³ year⁻¹) is in agreement with the average recharged groundwater (44.7 hm³ year⁻¹), given that the system is volumetrically equilibrated during the study period. Besides the groundwater resources assessment, the methodological aspects of this research may be interesting for groundwater management and protection strategies in coastal areas, particularly karst environments.

Résumé

La compréhension du transfert des ressources en eau dans les systèmes hydrogéologiques, en particulier dans les aquifères côtiers, où la décharge des eaux souterraines peut se faire par des voies multiples (via les sources, les rivières et les cours d’eau, vers la mer, etc.) est. cruciale pour l’utilization durable des eaux souterraines. Cette recherche vise à démontrer l’utilité de l’utilization des méthodes classiques d’évaluation de la recharge couplées à des techniques isotopiques pour quantifier avec précision le bilan hydrogéologique et la décharge sous-marine des eaux souterraines (SGD) à partir des aquifères côtiers carbonatés. La Sierra Almijara (Sud de l’Espagne), un aquifère carbonaté constitué de marbres triasiques, est. considéré comme représentatif des formations karstiques du littoral méditerranéen. L’utilization d’une approche multi-méthode a permis de calculer une large gamme de taux d’infiltration des eaux souterraines (17–60%) au moyen d’une application directe des méthodes hydrométéorologiques (Thornthwaite et Kessler) et d’informations distribuées spatialement (APLIS modifiée). Un taux de recharge pondéré spatialement de 42% résulte de l’information la plus cohérente des caractéristiques physiographiques et hydrogéologiques du système étudié. La décharge naturelle des aquifères et l’extraction des eaux souterraines ont été quantifiées de manière volumétrique, à partir des données de débits et de niveaux d’eau, tandis que la pertinence de SGD a été estimée à partir de l’analyze spatiale de la salinité, de ²²²Rn et de l’isotope ²²⁴Ra à vie courte dans l’eau de mer côtière. La décharge moyenne totale de l’aquifère (44.9–45.9 hm³ par an) est. cohérente avec la recharge moyenne des eaux souterraines (44.7 hm³ par an), considérant que le système est. à l’équilibre du point de vue volumétrique pendant la période d’étude. Outre l’évaluation des ressources en eaux souterraines, les aspects méthodologiques de cette recherche peuvent être intéressants pour la gestion des eaux souterraines et les stratégies de protection dans les zones côtières, en particulier les environnements karstiques.

Resumen

El aprovechamiento sostenible del agua subterránea es crucial para comprender la transferencia de los recursos hídricos dentro de los sistemas hidrogeológicos, en particular en los acuíferos costeros, en los que la descarga del agua subterránea puede producirse de varias formas (a través de manantiales, ríos y arroyos hacia el mar). Esta investigación tiene como objetivo demostrar la utilidad de la aplicación de los métodos convencionales en la evaluación de la recarga, acoplados a técnicas isotópicas para cuantificar con exactitud el balance hidrogeológico y la descarga submarina de agua subterránea (SGD) en acuíferos costeros carbonáticos. Sierra Almijara (sur de España), un acuífero carbonático formado por mármoles triásicos, es considerado como representativo de las formaciones kársticas costeras mediterráneas. El uso de un enfoque multi-método ha permitido el cálculo de una amplia gama de tasas de recarga de agua subterránea (17–60%) mediante la aplicación directa de métodos hidrometeorológicos (Thornthwaite y Kessler) y de información espacialmente distribuida (APLIS modificado). Una tasa de recarga espacialmente ponderada del 42% resulta de la información más coherente sobre las características fisiográficas e hidrogeológicas del sistema estudiado. La descarga natural del acuífero y la captación de agua subterránea se han cuantificado volumétricamente, basándose en los datos de flujo y niveles de agua, mientras que la relevancia de SGD se estimó a partir del análisis espacial de salinidad, ²²²Rn y el isótopo de corta duración ²²⁴Ra en agua de mar costera. La descarga media total del acuífero (44.9–45.9 hm³ año⁻¹) está de acuerdo con el promedio del agua subterránea recargada (44.7 hm³ año⁻¹), dado que el sistema está equilibrado volumétricamente durante el período de estudio. Además de la evaluación de los recursos hídricos subterráneos, los aspectos metodológicos de esta investigación pueden ser interesantes para las estrategias de manejo y protección del agua subterránea en las áreas costeras, particularmente en los ambientes kársticos.

摘要

了解水文地质系统内水资源的转移,特别是了解地下水排泄可能有多重通道(通过泉、流入河流及注入大海等)的沿海含水层中水资源的转移对于地下水的可持续利用至关重要。本研究目的就是论述常规补给评价方法结合同位素技术应用的有效性,准确量化水文地质平衡及地下水从沿海碳酸盐含水层排泄到海水下的量。(西班牙南部)Sierra Almijara是一个由三叠纪大理石层构成的碳酸盐含水层,被认为是地中海沿海岩溶地层的代表。通过利用水文气象方法(Thornthwaite and Kessler)和空间分布信息(改进的APLIS),采用多重方法能够计算大范围的地下水入渗量(17–60%)。空间加权的42%补给量是根据所研究的系统地形特征和水文地质特征最清晰的信息得到的。根据流量和水位资料,量化了含水层天然排泄量及地下水抽取量,通过沿海海水中的含盐度、²²²Rn和短命的镭同位素²²⁴Ra,估算了海水下地下水排泄的关联性。考虑到系统在研究期内处于平衡状态,总平均含水层排泄量(44.9–45.9 hm³ 年⁻¹)与平均补给的地下水量(44.7 hm³年⁻¹)一致。除了地下水资源评价,本研究的方法可能对沿海地区、特别是岩溶环境下的地下水管理和保护策略具有一定意义。

Resumo

Compreender a transferência de recursos hídricos dentro dos sistemas hidrogeológicos, particularmente em aquíferos costeiros, em que a descarga de água subterrânea pode ocorrer através de múltiplos caminhos (através de fontes, rios e córregos, em direção ao mar etc.) é crucial para o uso sustentável das águas subterrâneas. Esta pesquisa tem como objetivo demonstrar a utilidade da aplicação de métodos convencionais de avaliação de recarga acoplados a técnicas isotópicas para quantificar com precisão o balanço hidrogeológico e a descarga submarina de água subterrânea (DSAS) dos aquíferos carbonáticos costeiros. Em Sierra Almijara (sul da Espanha), um aquífero carbonático formado por mármores Triássicos é considerado como representativo das formações cársticas costeiras mediterrâneas. O uso de uma abordagem multi-método permitiu a computação de uma ampla gama de taxas de infiltração de águas subterrâneas (17–60%) por meio da aplicação direta de métodos hidrometeorológicos (Thornthwaite e Kessler) e da informação distribuída espacialmente (APLIS modificado). Uma taxa de recarga ponderada espacialmente de 42% resulta da informação mais coerente sobre características fisiográficas e hidrogeológicas do sistema estudado. A descarga natural do aquífero e a captação das águas subterrâneas foram quantificadas volumetricamente com base no fluxo e nos dados de nível d’água, enquanto que a relevância da DSAS foi estimada por meio da análise espacial da salinidade, ²²²Rn e do isótopo de raio de curta-vida ²²⁴Ra da água do mar costeira. A descarga média total do aquífero (44.9–45.9 hm³ano⁻¹) está de acordo com a média de recarga das águas subterrâneas (44.7 hm³ano⁻¹), uma vez que o sistema está volumetricamente equilibrado durante o período estudado. Além da avaliação dos recursos hídricos subterrâneos, os aspectos metodológicos desta pesquisa podem ser interessantes para a gestão das águas subterrâneas e estratégias de proteção em áreas costeiras, particularmente nos ambientes cársticos.