Impacts of basin-wide irrigation pumping on dry-period stream baseflow in an alluvial aquifer in the Kosi Fan region of India and Nepal

Abstract

The Kosi Fan region of India and Nepal hosts a productive aquifer system. Regional hydrology is highly seasonal, and both groundwater and surface water are used for irrigation. Groundwater depletion is not currently occurring, but there is concern that plans to increase groundwater irrigation will reduce river baseflow, potentially affecting downstream water users. This study presents a model-based analysis of the impacts of groundwater withdrawal on dry-period streamflow and evaluation of management alternatives. A sensitivity analysis was performed in which a range of model parameters were tested around a best-estimate, base-case scenario. A high-reduction scenario was then developed which combined the factors that produced the greatest pumping-induced reduction in dry-season baseflow. Management strategies for 2.5, 5, and 10-km no-pumping buffers around the rivers were tested for the base-case and high-reduction scenarios. Simulations show that groundwater withdrawal equivalent to 30% and 60% of dry-season streamflow for the Kosi and Mahananda rivers, respectively, reduces the current dry-season flow by less than 4%. In the base-case scenario, simulated dry-season baseflow reduction is 1.8% and 2.6% for the rivers, respectively; these reduce to ~1% with a 2.5-km buffer zone. For the high-reduction scenario, dry-season baseflow reductions are 4.7% and 7.0% with no buffer; these reduce to 1.3% and 0.9% with a 5-km buffer for the Kosi and Mahananda rivers, respectively. The small reductions in baseflow relative to the total amount of pumping are due to a pumping-induced increase in rainfall recharge, thus the effects of additional pumping are mitigated.

Résumé

La région de Kosi Fan en Inde et au Népal abrite un système aquifère productif. L’hydrologie régionale est très saisonnière, et les eaux souterraines et de surface sont utilisées pour l’irrigation. L’épuisement des eaux souterraines ne se produit pas actuellement, mais il y a des inquiétudes considérant les plans visant à augmenter l’irrigation par les eaux souterraines ne réduisent le débit de base des rivières, ce qui pourrait affecter les utilisateurs d’eau en aval. Cette étude présente une analyse basée sur un modèle des impacts des prélèvements des eaux souterraines sur le débit des cours d’eau en période sèche et une évaluation des alternatives de gestion. Une analyse de sensibilité a été réalisée dans laquelle une gamme de paramètres du modèle a été testée autour d’une meilleure estimation, le scénario de base. Un scénario de forte réduction a ensuite été élaboré, réunissant les facteurs qui ont produit la plus forte réduction du débit de base en saison sèche induite par le pompage. Des stratégies de gestion pour des zones tampons sans pompage de 2.5, 5 et 10 km autour des rivières ont été testées pour les scénarios de base et de forte réduction. Les simulations montrent qu’un prélèvement d’eau souterraine équivalent à 30–60% du débit des cours d’eau en saison sèche pour les rivières Kosi et Mahananda, respectivement, réduit le débit actuel de saison sèche de moins de 4%. Dans le scénario de base, la réduction simulée du débit de base de saison sèche est de 1.8 et de 2.6% pour les rivières, respectivement; ces chiffres se réduisent à ~1% avec une zone tampon de 2.5 km. Pour le scénario de forte réduction, les réductions du débit de base en saison sèche sont de 4.7 et 7.0% sans zone tampon; elles se réduisent à 1.3 et 0.9% avec une zone tampon de 5 km pour les rivières Kosi et Mahananda, respectivement. Les faibles réductions du débit de base par rapport au volume total pompé sont dues à une augmentation de la recharge par les précipitations induite par le pompage, ce qui atténue les effets du pompage supplémentaire.

Resumen

La región del abanico del Kosi, en India y Nepal, alberga un productivo sistema acuífero. La hidrología regional es fuertemente estacional, y tanto las aguas subterráneas como las superficiales se utilizan para el riego. En la actualidad no se está produciendo un agotamiento de las aguas subterráneas, pero preocupa que los planes para aumentar el riego con aguas subterráneas reduzcan el caudal base del río, lo que podría afectar a los usuarios de aguas abajo. Este estudio presenta un análisis basado en un modelo de los impactos de la extracción de agua subterránea en el caudal del río en el período seco y la evaluación de las alternativas de gestión. Se llevó a cabo un análisis de sensibilidad en el que se probó una serie de parámetros del modelo en torno a un escenario base de mejor estimación. A continuación, se desarrolló un escenario de alta reducción que combinaba los factores que producían la mayor reducción inducida por el bombeo en el caudal base de la estación seca. Se probaron las estrategias de gestión de las zonas de seguridad sin bombeo de 2.5, 5 y 10 km alrededor de los ríos para los escenarios de base y de alta reducción. Las simulaciones muestran que la extracción de agua subterránea equivalente al 30–60% del caudal de la estación seca para los ríos Kosi y Mahananda, respectivamente, reduce el caudal actual de la estación seca en menos del 4%. En el escenario de base, la reducción simulada del caudal base de la estación seca es del 1.8% y del 2.6% para los ríos, respectivamente; estos se reducen a un ~1% con una zona de protección de 2.5 km. Para el escenario de alta reducción, las reducciones del caudal base en la estación seca son del 4.7% y del 7.0% sin zona de seguridad; éstas se reducen al 1.3% y al 0.9% con una zona de seguridad de 5 km para los ríos Kosi y Mahananda, respectivamente. Las pequeñas reducciones del caudal base en relación con la cantidad total de bombeo se deben a un aumento de la recarga de las precipitaciones inducido por el bombeo, con lo que se mitigan los efectos del bombeo adicional.

摘要

印度和尼泊尔的 Kosi Fan 地区拥有富水的含水层系统。区域水文具有很强的季节性，地下水和地表水都用于灌溉。目前没有发生地下水枯竭，但人们担心增加地下水灌溉的计划将减少河流基流量，从而可能影响下游用水户。本研究基于模型分析地下水开采对干旱期径流的影响以及管理备选方案的评估。开展了敏感性分析，其中围绕最佳估计、基准情景测试了一系列模型参数。然后开发了一个高减量情景，该情景结合了产生最大抽水引起的旱季基流减少的因素。针对基准情景和高减量情景测试了河流周围 2.5 公里、5 公里和 10 公里无开采缓冲区的管理策略。模拟表明，分别相当于 Kosi 和 Mahananda 河旱季流量的 30–60% 的地下水开采量将当前旱季流量减少了不到 4%。在基准情景中，模拟的河流旱季基流量减少分别为 1.8 和 2.6%；在 2.5 公里的缓冲区中，这些减少到约 1%。对于高减量情景，没有缓冲区，旱季基流量减少 4.7 和 7.0%；在 Kosi 和 Mahananda 河 5 公里的缓冲区分别减少到 1.3 和 0.9%。相对于开采总量，基流的小幅减少是由于开采引起的降雨补给增加，因此增加开采的影响得到了缓解。

Resumo

A região do Leeque de Kosi na Índia e Nepal abriga um produtivo sistema aquífero. A hidrologia regional é altamente sazonal, e ambas águas subterrâneas e superficiais são utilizadas para irrigação. A depleção da água subterrânea não está ocorrendo atualmente, mas há uma preocupação de que os planos para aumentar a irrigação por águas subterrâneas vão reduzir o fluxo de base dos rios, potencialmente afetando o uso da água a jusante. Este estudo apresenta uma análise baseada em modelos de impacto da captação da água subterrânea no fluxo dos rios durante o período seco e de avaliação das alternativas de gerenciamento. A análise de sensibilidade foi feita de maneira que uma variedade de parâmetros fosse testada em torno de um cenário base, de melhor estimativa. Um cenário de alta redução foi então desenvolvido combinando os fatores que promoveram a maior redução do fluxo de base induzido pelo bombeamento durante o período seco. Estratégias de gerenciamento foram testadas utilizando zonas de amortecimento de 2.5, 5, e 10-km para zonas de não bombeamento em torno dos rios tanto no cenário de base, quanto no cenário de alta redução. As simulações mostram que a captação de água subterrâneas equivalentes a 30–60% do fluxo de base no período seco para os rios Kosi e Mahananda, respectivamente, reduzem o fluxo de base atual em menos de 4%. No cenário de base, a redução do fluxo de base simulado para o período seco é de 1.8 e 2.6% para os rios, respectivamente; o que reduz para ~1% com uma zona de amortecimento de 2.5-km. Para o cenário de maior redução, a redução do fluxo de base no período seco é de 4.7 e 7.0% sem utilização da zona de amortecimento; o que reduz para 1.3 e 0.9% com uma zona de amortecimento de 5-km para os rios Kosi e Mahananda, respectivamente. As pequenas reduções no fluxo de base relativas as quantidades totais de bombeamento são devido a recarga pela precipitação induzida pelo bombeamento, portanto os efeitos de captações adicionais são mitigados.