A critical review of recharge estimation methods used in Southern Africa
Loading...
Files
Date
2003-12
Authors
Bean, John Alexander
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: A new stable isotope-based technique, the Modified Amount Effect (MAE) Method, was
developed during this investigation. This technique provides insight into episodic recharge
processes by estimating the proportion of preferential pathway-to-matrix-derived flow entering
an aquifer, and the amount of rainfall required to initiate recharge via the respective flow paths.
Significantly, the proportion of bypass flow can be determined without undertaking expensive
and time consuming unsaturated zone studies, both factors often of primary concern when
undertaking recharge investigations in developing countries.
Four recharge thresholds can be identified using the MAE Method; the low and high recharge
thresholds that must be exceeded before recharge occurs via preferential pathways or the matrix,
respectively. These represent threshold limits, the low value only of importance following
successive months of wet weather, the high value representing the rainfall that must be received
to restore an aquifer system to equilibrium after prolonged dry spells. Once these thresholds are
known, the recharge history of a site can be modelled using available rainfall data by adapting
the Cumulative Rainfall Departure (CRD) Method. An important finding of modelling
undertaken during this investigation is that in those semi-arid to arid areas where most recharge
water enters the aquifer via the matrix, the period of time that elapses between successive rainfall
events that exceed the matrix recharge threshold often extends to scores of years. This has
significant resource management implications for much of the region as it indicates that the
current approach of basing allocations on average recharge estimates is only justified if sufficient
groundwater is available for use over the entire period between recharge events.
In terms of recharge estimation, the Stable Isotope (SI) Method was found to return comparable
results to the Chloride Mass Balance (CMB) Method in both wetter and drier inland areas of
South Africa. However, both the SI and MAE Methods were found to be sensitive to the
recharge history of the site, the returned recharge estimate significantly higher when calculated
immediately after recharge via the matrix had occurred. This is not to say that these estimates
were wrong (indeed they were representative of site recharge processes at the time of sampling),
but that rainfall in the months prior to sampling should be considered. In general though,
sampling should be undertaken near the end of the dry season, which in the summer-dominant
rainfall areas of Southern Africa is between September and November (allowing for a 30 to 60
day lag time between rainfall and subsequent recharge).
While the geological and geomorphological limitations of the CMB Method must be clearly
understood before applying the technique, it does have application within many fractured rock
terrains. On a regional scale, fractured rock aquifers are commonly regarded as equivalent
porous mediums for modelling purposes, a necessity given the significant variations in porosity,
hydraulic conductivity, and storage that occur between adjacent areas. Thus, even where longterm
water level data is available, the hydraulic conditions that contribute to the observed water
table response at a given site following recharge represent an average for the area surrounding a
given borehole. The CMB Method negates the need for measuring or estimating these hydraulic
parameters, as it already represents a long-term average of recharge. This is not to say that water
levels should not be taken, but rather that recharge calculated using water balance methods be
checked using the CMB Method in those areas completely overlain by a porous unsaturated zone
of significant thickness. Indeed, the comparison of results obtained using multiple estimation
techniques is recommended during all recharge-based investigations, whether conducted in
fractured rock or porous environments.
Afrikaans: ‘n Nuwe stabiele isotoop-gebaseerde tegniek, die “Modified Amount Effect” (MAE) metode, is tydens hierdie ondersoek ontwikkel. Hierdie tegniek gee insig in episodiese aanvullingsprosesse deur ‘n skatting te verkry van die relatiewe volumes vloei wat ‘n akwifeer bereik langs voorkeurvloeibane en deur die matriks, asook die hoeveelheid reënval wat benodig word om die aanvullingsprosesse aan die gang te sit. Van belang is dat die verhouding van die voorkeurvloei tot die matriksvloei bepaal kan word sonder om duur en tydrowende ondersoeke van die onversadigde sone te onderneem. Tyd en finansiële faktore is van groot belang wanneer aanvullingsondersoeke in ontwikkelende lande onderneem word. Vier aanvullingsdrumpelwaardes kan geïdentifiseer word wanneer die MAE metode gebruik word, naamlik een lae- en een hoë-aanvullingsdrumpelwaardes wat oorskry moet word voordat aanvulling plaas kan vind òf langs voorkeurvloeibane òf deur die matriks. Hierdie waardes verteenwoordig die drumpellimiete met die lae waarde slegs van belang na opeenvolgende maande van nat weer, terwyl die hoë waarde die reënval verteenwoordig wat benodig word om die akwifeersisteem weer in ewewig te bring na ‘n lang droë tydperk. Wanneer hierdie drumpelwaardes bekend is, kan ‘n model van die aanvullingsgeskiedenis van ‘n omgewing bepaal word deur die beskikbare reënvaldata te gebruik en dit met die “Cumulative Rainfall Departure”(CRD)-metode aan te pas. ’n Belangrike bevinding van modellering gedoen tydens hierdie ondersoek is dat in semi-droë tot droë omgewings waar die aanvullingswater die akwifeer via die matriks binnegaan, die tydsperiode wat verbygaan tussen opeenvolgende reënvalgebeurtenisse waartydens die aanvullingsdrumpelwaarde van die matriks oorskry word, dikwels oor etlike jare strek. Hierdie aspek het aansienlike implikasies wanneer dit kom by hulpbronbestuur in die gebied en dui daarop dat die huidige benadering gebasseer op die berekening van gemiddelde aanvullings slegs geregverdig kan word indien voldoende grondwater beskikbaar is vir gebruik tydens die hele tydsperiode tussen aanvullingsgebeurtenisse. In terme van die berekening van die benaderde aanvullingswaarde, is gevind dat die Stabile Isotoop (SI) metode waardes gee wat vergelykbaar is met die Chloried Massa Balans (CMB) metode in beide natter en droër binnelandse omgewings van Suid-Afrika. Daar is egter bevind dat beide die SI- en MAE-metodes baie sensitief is ten opsigte van die aanvullingsgeskiedenis van die omgewing. Die aanvullingswaardes wat verkry is, was aansienlik hoër wanneer die benaderde waardes bereken is direk na aanvulling plaasgevind het via die matriks. Dit beteken egter nie dat hierdie berekeninge verkeerd is nie (dit was inderdaad verteenwoordigend van die terrein se aanvulling tydens monsterneming), maar dat die reënval tydens die maande voor die monsterneming plaasgevind het in ag geneem word. In die algemeen moet monsterneming aan die einde van die droë seisoen plaasvind. In die somer-dominante reënvalgebiede van Suid- Afrika is dit tussen die maande September en November (dit laat toe vir ‘n 30 tot 60 dae wagtydperk tussen die reenval en die daaropvolgende aanvullingsgebeurtenis). Hoewel die geologiese en geomorfologiese beperkinge van die CMB-metode eers duidelik begryp moet word voordat die tegniek gebruik kan word, het die tegniek toepassing in verskeie fraktuurgesteente-omgewings. Op ‘n regionale skaal word fraktuur-akwifere oor die algemeen gesien as poreuse mediums vir die doeleindes van grondwatervloeimodellerings. Die redes hiervoor is die aansienlike verskille in poreusheid, hidrouliese konduktiwiteit asook die bergingskoeffisiënt tussen aangrensende gebiede. Selfs waar langtermyn watertafeldata beskikbaar is, is die hidroliese eienskappe wat bydra tot die watertafelreaksie na ‘n aanvullingsgebeurtenis slegs verteenwoordigend van die gemiddelde vir die area rondom die boorgat. Die CMB-metode benodig nie die meet of berekening van die hidroliese eienskappe nie, aangesien dit alreeds die langtermyn gemiddelde van die aanvulling verteenwoordig. Dit beteken nie dat die watervlakmetings in fraktuurgesteente-omgewings nie hoef plaas te vind nie, maar eerder dat die aanvullingsberekeninge wat deur middel van die waterbalansmetodes verkry word gekontroleer moet word deur die CMB-metode toe te pas, veral in gebiede wat oorlê word met ‘n poreuse, onversadigde sone van aansienlike dikte. Die vergelyking van resultate wat verkry is deur die gebruik van verskeie benaderingstegnieke word inderdaad aanbeveel tydens alle aanvullings-gebaseerde ondersoeke, hetsy die ondersoeke in fraktuur-getsteentes of poreuse omgewings uitgevoer word.
Afrikaans: ‘n Nuwe stabiele isotoop-gebaseerde tegniek, die “Modified Amount Effect” (MAE) metode, is tydens hierdie ondersoek ontwikkel. Hierdie tegniek gee insig in episodiese aanvullingsprosesse deur ‘n skatting te verkry van die relatiewe volumes vloei wat ‘n akwifeer bereik langs voorkeurvloeibane en deur die matriks, asook die hoeveelheid reënval wat benodig word om die aanvullingsprosesse aan die gang te sit. Van belang is dat die verhouding van die voorkeurvloei tot die matriksvloei bepaal kan word sonder om duur en tydrowende ondersoeke van die onversadigde sone te onderneem. Tyd en finansiële faktore is van groot belang wanneer aanvullingsondersoeke in ontwikkelende lande onderneem word. Vier aanvullingsdrumpelwaardes kan geïdentifiseer word wanneer die MAE metode gebruik word, naamlik een lae- en een hoë-aanvullingsdrumpelwaardes wat oorskry moet word voordat aanvulling plaas kan vind òf langs voorkeurvloeibane òf deur die matriks. Hierdie waardes verteenwoordig die drumpellimiete met die lae waarde slegs van belang na opeenvolgende maande van nat weer, terwyl die hoë waarde die reënval verteenwoordig wat benodig word om die akwifeersisteem weer in ewewig te bring na ‘n lang droë tydperk. Wanneer hierdie drumpelwaardes bekend is, kan ‘n model van die aanvullingsgeskiedenis van ‘n omgewing bepaal word deur die beskikbare reënvaldata te gebruik en dit met die “Cumulative Rainfall Departure”(CRD)-metode aan te pas. ’n Belangrike bevinding van modellering gedoen tydens hierdie ondersoek is dat in semi-droë tot droë omgewings waar die aanvullingswater die akwifeer via die matriks binnegaan, die tydsperiode wat verbygaan tussen opeenvolgende reënvalgebeurtenisse waartydens die aanvullingsdrumpelwaarde van die matriks oorskry word, dikwels oor etlike jare strek. Hierdie aspek het aansienlike implikasies wanneer dit kom by hulpbronbestuur in die gebied en dui daarop dat die huidige benadering gebasseer op die berekening van gemiddelde aanvullings slegs geregverdig kan word indien voldoende grondwater beskikbaar is vir gebruik tydens die hele tydsperiode tussen aanvullingsgebeurtenisse. In terme van die berekening van die benaderde aanvullingswaarde, is gevind dat die Stabile Isotoop (SI) metode waardes gee wat vergelykbaar is met die Chloried Massa Balans (CMB) metode in beide natter en droër binnelandse omgewings van Suid-Afrika. Daar is egter bevind dat beide die SI- en MAE-metodes baie sensitief is ten opsigte van die aanvullingsgeskiedenis van die omgewing. Die aanvullingswaardes wat verkry is, was aansienlik hoër wanneer die benaderde waardes bereken is direk na aanvulling plaasgevind het via die matriks. Dit beteken egter nie dat hierdie berekeninge verkeerd is nie (dit was inderdaad verteenwoordigend van die terrein se aanvulling tydens monsterneming), maar dat die reënval tydens die maande voor die monsterneming plaasgevind het in ag geneem word. In die algemeen moet monsterneming aan die einde van die droë seisoen plaasvind. In die somer-dominante reënvalgebiede van Suid- Afrika is dit tussen die maande September en November (dit laat toe vir ‘n 30 tot 60 dae wagtydperk tussen die reenval en die daaropvolgende aanvullingsgebeurtenis). Hoewel die geologiese en geomorfologiese beperkinge van die CMB-metode eers duidelik begryp moet word voordat die tegniek gebruik kan word, het die tegniek toepassing in verskeie fraktuurgesteente-omgewings. Op ‘n regionale skaal word fraktuur-akwifere oor die algemeen gesien as poreuse mediums vir die doeleindes van grondwatervloeimodellerings. Die redes hiervoor is die aansienlike verskille in poreusheid, hidrouliese konduktiwiteit asook die bergingskoeffisiënt tussen aangrensende gebiede. Selfs waar langtermyn watertafeldata beskikbaar is, is die hidroliese eienskappe wat bydra tot die watertafelreaksie na ‘n aanvullingsgebeurtenis slegs verteenwoordigend van die gemiddelde vir die area rondom die boorgat. Die CMB-metode benodig nie die meet of berekening van die hidroliese eienskappe nie, aangesien dit alreeds die langtermyn gemiddelde van die aanvulling verteenwoordig. Dit beteken nie dat die watervlakmetings in fraktuurgesteente-omgewings nie hoef plaas te vind nie, maar eerder dat die aanvullingsberekeninge wat deur middel van die waterbalansmetodes verkry word gekontroleer moet word deur die CMB-metode toe te pas, veral in gebiede wat oorlê word met ‘n poreuse, onversadigde sone van aansienlike dikte. Die vergelyking van resultate wat verkry is deur die gebruik van verskeie benaderingstegnieke word inderdaad aanbeveel tydens alle aanvullings-gebaseerde ondersoeke, hetsy die ondersoeke in fraktuur-getsteentes of poreuse omgewings uitgevoer word.
Description
Keywords
Aquifer storage recovery -- South Africa, Aquifer recharge of groundwater -- South Africa, Thesis (Ph.D. (Geohydrology))--University of the Free State, 2003