Effects of non-isothermal flow on groundwater recharge in a semi-arid region

Abstract

Groundwater recharge is critical to water circulation in arid and semi-arid regions. The accurate determination of groundwater recharge is required for assessing water resources and effectively managing groundwater, especially in water-limited areas. Based on field experiments and numerical models in a semi-arid region, this study assessed the effect of non-isothermal flow on groundwater recharge. A lysimeter was used in the Mu Us Desert, northwestern China, to monitor groundwater recharge from 1 June to 30 September 2018. The numerical models (isothermal and non-isothermal models) were calibrated with the measured soil moisture and soil temperature. Groundwater recharge was found to take up nearly 29% of rainfall. The non-isothermal model was capable of accurately assessing groundwater recharge based on the accurate calculation of evaporation. The isothermal model, however, underestimated the groundwater recharge by 13.2% and overestimated the evaporation by 16.2%. The isothermal model overestimated evaporation during the drying process. In contrast, cumulative net recharge was underestimated after heavy rainfall events. It was therefore suggested that the non-isothermal flux should be considered in semi-arid regions, especially when assessing groundwater recharge.

Résumé

La recharge des eaux souterraines est critique vis-à-vis des écoulements des eaux dans les régions arides et semi-arides. La détermination précise de la recharge est nécessaire pour évaluer les ressources en eau et contrôler efficacement les eaux souterraines, particulièrement dans des secteurs limités en eau. Basée sur des expériences de terrain et des modèles numériques dans une région semi-aride, cette étude a évalué l’effet de l’écoulement non-isotherme sur la recharge d’eaux souterraines. Un lysimètre a été employé dans le désert du Mu Us, en Chine du nord-ouest, pour surveiller la recharge du 1 juin au 30 septembre 2018. Les modèles numériques (par exemple, modèles isothermes et non-isothermes) ont été calibrés avec des mesures de l’humidité de sol et de la température du sol. La recharge d’eaux souterraines s’est avérée représenter presque 29% de précipitations. Le modèle non-isotherme était capable d’évaluer exactement la recharge d’eaux souterraines à partir du calcul précis de l’évaporation. Le modèle isotherme, cependant, a sous-estimé la recharge de 13.2% et a surestimé l’évaporation de 16.2%. Le modèle isotherme a surestimé l’évaporation durant la phase de déshydratation. Inversement, la recharge nette cumulée a été sous-estimée à la suite d’événements de précipitations intenses. Les auteurs suggèrent donc que le flux non-isotherme devrait être considéré dans les régions semi-arides, particulièrement pour évaluer la recharge d’eaux souterraines.

Resumen

La recarga de las aguas subterráneas es fundamental para la circulación del agua en las regiones áridas y semiáridas. La determinación precisa de la recarga es necesaria para evaluar los recursos hídricos y gestionar eficazmente las aguas subterráneas, especialmente en las zonas de agua limitada. Sobre la base de experimentos de campo y modelos numéricos en una región semiárida, en este estudio se evaluó el efecto del flujo no isotérmico en la recarga. Se utilizó un lisímetro en el desierto de Mu Us, en el noroeste de China, para monitorear la recarga desde el 1° de junio hasta el 30 de septiembre de 2018. Los modelos numéricos (por ejemplo, los modelos isotérmicos y no isotérmicos) se calibraron con las medidas de humedad y de la temperatura del suelo. Se comprobó que la recarga representaba casi el 29% de las precipitaciones. El modelo no isotérmico era capaz de evaluar con precisión la recarga basándose en el cálculo correcto de la evaporación. Sin embargo, el modelo isotérmico subestimó la recarga en un 13.2% y sobreestimó la evaporación en un 16.2%. El modelo isotérmico sobreestimó la evaporación durante el proceso de sequía. En cambio, la recarga neta acumulada se subestimó después de los episodios de fuertes lluvias. Por consiguiente, se sugirió que se considerara el flujo no isotérmico en las regiones semiáridas, especialmente al evaluar la recarga de las aguas subterráneas.

摘要

地下水补给对于干旱和半干旱地区的水循环至关重要。需要准确估计地下水补给量, 以评估水资源并有效管理地下水, 特别是在缺水地区。基于半干旱地区的野外实验和数值模型, 本研究评估了非等温水流模型对地下水补给的影响。 2018年6月1日至9月30日, 在中国西北部的毛乌素沙漠中使用了蒸渗仪来监测地下水的补给。用测得的土壤含水量和土壤温度对数值模型(等温和非等温模型)进行了校准)。地下水补给量占降雨总量的29%。非等温模型能够基于准确的蒸发量来准确估算地下水补给量。然而, 等温模型将地下水补给量低估了13.2%, 将蒸发量高估了16.2%。等温模型高估了干燥过程中的蒸发。相反, 暴雨过后, 累计净补给被低估了。因此, 建议在半干旱地区在估算地下水补给量时应考虑非等温通量。

Resumo

A recarga de água subterrânea é fundamental para a ciclo hidrológico em regiões áridas e semiáridas. Determinar com acurácia a recarga das águas subterrâneas é necessário para avaliar os recursos hídricos e gerenciar efetivamente as águas subterrâneas, especialmente em áreas com pouca água. A partir de experimentos de campo e modelos numéricos em uma região semiárida, este estudo avaliou o efeito do fluxo não-isotérmico na recarga de águas subterrâneas. Um lisímetro foi usado no deserto de Mu Us, noroeste da China, para monitorar a recarga das águas subterrâneas entre 1 de junho e 30 de setembro de 2018. Os modelos numéricos (por exemplo, modelos isotérmicos e não-isotérmicos) foram calibrados com medições de umidade do solo e temperatura do solo. A recarga de água subterrânea correspondeu a aproximadamente 29% da precipitação. O modelo não-isotérmico foi capaz de avaliar com precisão a recarga de águas subterrâneas com base no cálculo preciso da evaporação. O modelo isotérmico, no entanto, subestimou a recarga das águas subterrâneas em 13.2% e superestimou a evaporação em 16.2%. O modelo isotérmico superestimou a evaporação durante o processo de secagem. Em contrapartida, a saldo de recarga acumulada foi subestimada após eventos de fortes chuvas. Portanto, sugeriu-se que o fluxo não isotérmico seja utilizado nas regiões semiáridas, principalmente na avaliação da recarga de águas subterrâneas.