Groundwater recharge: an overview of processes and challenges

Abstract.

Since the mid-1980s, a relative explosion of groundwater-recharge studies has been reported in the literature. It is therefore relevant to assess what is now known and to offer further guidance to practitioners involved in water-resource development. The paper summarizes current understanding of recharge processes, identifies recurring recharge-evaluation problems, and reports on some recent advances in estimation techniques. Emphasis is accorded to (semi-)arid regions because the need for information is greatest in those areas – groundwater is often the only water source, is vulnerable to contamination, and is prone to depletion. Few studies deal explicitly with groundwater recharge in temperate and humid zones, because recharge is normally included in regional groundwater investigations as one component of the water balance. The resolution of regional water-balance studies in (semi-)arid areas is, in contrast, often too low to quantify the limited recharge component with sufficient precision.

Despite the numerous studies, determination of recharge fluxes in (semi-)arid regions remains fraught with uncertainty. Multiple tracer approaches probably offer the best potential for reliable results in local studies that require 'at-point' information. However, many investigations indicate that these approaches are not straightforward, because in some cases preferential flow contributes as much as 90% of the estimated total recharge. Tracer results (e.g. Cl^–, ³H) must therefore be interpreted with care in areas with multi-modal flow in the vadose zone. Moreover, accurate estimation of total chloride deposition is essential, and tritium may be influenced by vapour transport at low flux rates. In addition, paleoclimatic and paleohydrological conditions may cause discrepancies between measured actual processes and calculated long-term averages.

The frequently studied issues of localized recharge and spatial variability need not be a problem if concern is with regional estimates. The key for practitioners is the project objective, which dictates whether 'at-point' or area-/groundwater-based estimation methods are appropriate. Many indirect (wadi) recharge studies reported in the literature are site specific; the relationship between 'at point' hydraulic properties and channel-reach losses demands further investigation.

Résumé.

Depuis les années 1980, une explosion relative des études de recharge de nappes a été notée dans la littérature. Il est par conséquent pertinent d'évaluer ce qui est connu et de donner davantage de conseils aux praticiens impliqués dans le développement des ressources en eau. Ce papier résume les connaissances courantes sur les processus de recharge, identifie les problèmes classiques d'évaluation de la recharge et donne des informations sur quelques avancées récentes concernant les techniques d'estimation. L'accent est mis sur les régions arides et semi-arides parce que le besoin d'informations est particulièrement fort dans ces régions, car l'eau souterraine est souvent la seule source d'eau, est vulnérable à la pollution et est sujette à la diminution. Quelques études concernent explicitement la recharge de nappes dans les régions tempérées et humides, parce que la recharge est normalement incluse dans les études régionales de nappes comme l'une des composantes du bilan hydrologique. La résolution des études régionales de bilan hydrologique en régions arides et semi-arides est au contraire souvent trop faible pour quantifier la composante limitée de recharge avec une précision suffisante.

Malgré de nombreuses études, la détermination des flux de recharge en régions arides et semi-arides reste pleine d'incertitudes. Les approches par traceurs multiples offrent probablement le meilleur potentiel pour fournir des résultats intéressants dans les études locales qui nécessitent une information localisée. Toutefois, de nombreux travaux indiquent que ces approches ne sont pas sans biais, parce que dans certains cas des écoulements préférentiels contribuent pour plus de 90% au total de la recharge estimée. Les résultats fournis par les traceurs (par exemple Cl^–, ³H) doivent par conséquent être interprétés avec précaution dans les régions où existe un écoulement multi-modal dans la zone d'infiltration. De plus, l'estimation précise de l'apport total en chlorure est essentiel et le tritium peut être influencé par le transport de vapeur pour des flux faibles. En outre, les conditions paléoclimatiques et paléohydrologiques peuvent introduire des désaccords entre les processus actuels mesurés et les moyennes calculées sur le long terme.

Les écoulements fréquemment étudiés de recharge localisée et de variabilité spatiale ne sont pas un problème si l'intérêt est une estimation régionale. La clé pour les praticiens est l'objectif du projet, qui dicte s'il est approprié de recourir aux méthodes d'estimation localisée ou régionales basées sur la nappe. De nombreuses études indirectes de la recharge (wadi) fournies par la littérature sont particulières au site étudié; la relation entre les propriétés hydrauliques locales et les pertes le long des chenaux exige des recherches complémentaires.

Resumen.

A partir de mediados de 1980, se ha experimentado un notable aumento de referencias bibliográficas sobre estudios de recarga de acuíferos. Por tanto, es importante establecer qué se conoce actualmente y dar soporte a los técnicos encargados del desarrollo de recursos hídricos. Este artículo resume el conocimiento actual en lo que respecta a los procesos de recarga, identifica los problemas recurrentes en la evaluación de la recarga, e informa sobre algunos avances recientes en técnicas de estimación. Se enfatiza en regiones (semi-)áridas, ya que la necesidad de información es mayor en dichas áreas, donde las aguas subterráneas son a menudo la única fuente de agua, son vulnerables a la contaminación y existe riesgo de abatimiento de los niveles. Pocos estudios tratan de forma explícita la recarga en zonas templadas y húmedas, porque la recarga se incluye normalmente en las investigaciones a escala regional de las aguas subterráneas como una componente más del balance de agua. La resolución de los estudios regionales de balance de aguas en zonas (semi-)áridas, por el contrario, es a menudo demasiado baja para permitir una cuantificación suficientemente precisa de la recarga.

A pesar de los numerosos estudios existentes, la determinación de los flujos de recarga en regiones (semi-)áridas todavía presenta incertidumbres. Los métodos de trazadores múltiples ofrecen probablemente el mejor potencial para llegar a resultados fiables en estudios locales que requieren información 'puntual'. No obstante, muchos estudios indican que este enfoque no es directo, ya que el flujo preferente contribuye en algunos casos al 90% de la recarga estimada total. Los resultados obtenidos con trazadores (por ejemplo, cloruro, tritio) deben ser interpretados con precaución en áreas con flujo multimodal en la zona no saturada. Además, es esencial una estimación cuidadosa de la aportación total de cloruro, mientras que el tritio puede estar influenciado por transporte en forma de vapor a velocidades de flujo bajas. También, las condiciones paleoclimáticas y paleohidrológicas pueden dar lugar a discrepancias entre los procesos medidos en la actualidad y los valores calculados como promedios durante períodos largos.

Los conceptos frecuentemente estudiados de recarga localizada y variabilidad espacial no deben suponer un problema si lo que se busca son estimaciones a escala regional. Lo importante para los técnicos es el objetivo del proyecto, pues éste determina si se necesita métodos estimativos 'puntuales' o de mayor escala. Muchos estudios indirectos de recarga (wadis) referidos en la bibliografía son específicos del lugar; la relación entre las propiedades hidráulicas'puntuales' y las pérdidas en tramos de canales exige más investigación.