Recharge modelling in a high mountain hydrological system

Abstract

La estimación precisa de los flujos superficiales y subterráneos permiten una gestión de recursos hídricos confiable, más aún considerando que Chile está atravesando un período complejo de mega sequía. Estudios recientes han identificado un flujo subterráneo proveniente de la cordillera en la zona central de Chile. En concreto, algunas mediciones en los acuíferos aluviales muestran que no son consistentes con la variación estacional de precipitación y acumulación de nieve.

Para medir la cantidad de recarga subterránea proveniente de la cordillera de Los Andes, se desarrolló un modelo cuasi 2D para estudiar el modelo presentado por Taucare, Daniele, et al. (2020), el cual presenta diferentes mecanismos de infiltración, acumulación de nieve y circulación del agua. El modelo implementado es ParFlow, el cual es un modelo de aguas subterráneas que permite acoplar un modelo superficial y EcoSLIM, el cual es un modelo de seguimiento de partículas que permite estudiar las distribuciones de los tiempos de residencia.

El estudio fue distribuido en 3 etapas: Etapa 1 implementa ParFlow acoplado con Community Land Model, buscando desarrollar condiciones de borde, estudiar la distribución espacial de la infiltración, evapotranspiración y el equivalente agua nieve durante un periodo de 100 años (repitiendo periodo 1960 a 1696 10 veces); La Etapa 2 implementa ParFlow, el cual recibe la infiltración y las condiciones de borde de la Etapa 1 e implementa 6 escenarios (4 donde varía la conductividad hidráulica y se mantiene constante la infiltración, 1 donde varía la infiltración y se mantiene la conductividad hidráulica y 1 utilizado como caso base), modelando en estado estable donde se busca un flujo de aguas subterráneas de salida, o recarga del bloque de montaña, para cada escenario; Etapa 3 implementa EcoSLIM para estimar las distribuciones de tiempos de residencia de cada escenario evaluado en la etapa 2 durante 400 años.

Los resultados principales son: Todos los escenarios tienen tiempos de residencia entre 14,3 [año] a 107,5 [año], cayendo dentro del rango notificado por trabajos de terreno; El flujo de salida (o recarga del bloque de montaña) de todos los escenarios fluctúa entre 50,1 [mm/año] a 146,6 [mm/año], donde el escenario base (82,91 [mm/año]) y el escenario de variación de infiltración (70,4 [mm/año]) son muy cercanos a los valores reportados por otros estudios de recarga de la cuenca del Río Aconcagua.

Accurate estimation of surface and underground fluxes allows reliable management of water resources, even more so considering that Chile is coming through a complex scenario with the mega drought. Recent studies have identified a subsurface flux through the mountains in the central zone of Chile. In specific, the valley aquifers near the Andes show well measurements that are not consistent with seasonal shifts in precipitation and snow accumulation. To quantify the amount of subsurface recharge coming from the Andes Mountain range, a quasi-2D numerical model is developed to validate the conceptual model presented by Taucare, Daniele, et al. (2020), which presents different mechanisms of infiltration, snow accumulation, and water circulation. The numerical model was implemented is ParFlow, which is a groundwater model that allows coupling with a surface model, and EcoSLIM, a particle tracking model for studying the residence time distribution of groundwater. The study was distributed in three stages: Stage 1 implements ParFlow coupled with Community Land Model to develop boundary conditions, study the spatial distribution of infiltration, evapotranspiration, and snow water equivalent and finally obtain an amount of infiltration for all study area during a period of 100 years (period 1960 to 1969 is repeated 10 times); Stage 2 implements ParFlow, which receives the infiltration and boundary conditions from the previous stage and implement 6 scenarios (4 where the hydraulic conductivity varies but maintain infiltration, 1 where the infiltration is varied but maintain hydraulic conductivity setup, and 1 were considered as base scenario), modeling in steady state looking for a total amount of subsurface outflow or mountain block recharge for each scenario; and Stage 3 implement EcoSLIM for estimate the residence time distribution of water for each scenario with results of Stage 2 during 400 years. The main results are: All scenarios have residence times between 14,3 [𝑦�] and 107,5[𝑦�], which falls within a range of 10’s to 100’s years of residence time given by fieldwork; The subsurface outflow (or mountain block recharge) of all scenarios varies from 50,1 [𝑚�𝑚�/ 𝑦�] to 146,6[𝑚�𝑚�/𝑦�], where base scenario (82,91 [𝑚�𝑚�/𝑦�]) and infiltration var scenario (70,4 [𝑚�𝑚�/𝑦�]) are closely align with to investigations of groundwater recharge of Aconcagua River basin aquifers.