Comparação de métodos para calcular a recarga de água subterrânea para aquíferos cársticos em um clima mediterrâneo

Abstract

Karst aquifers can be particularly vulnerable to human activities and climate change due to their relatively high degree of connection with the surface. This study utilized an ensemble of event-based recharge calculation methods to address the problem of structural uncertainty for the example of the Western Mountain Aquifer (WMA), a Mediterranean karst aquifer located in Israel and the West Bank. Spatially distributed recharge estimates derived from the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) and the process-based infiltration model (PIM) were compared to site-specific, empirical regression models. The SWAT and PIM mean annual recharge estimates ranged from 32–34.6% of precipitation, almost equating to the results of empirical regression models (32–36%). Future recharge predictions under the influence of climate change were quantified by parameterizing the SWAT and PIM methods with a downscaled regional climate model of Israel. SWAT predicts a 23% decrease in recharge by 2051–2070 relative to 1981–2001. In contrast, PIM shows a 9% decrease, possibly due to the representation of infiltration through preferential flow pathways and exclusion of surface runoff processes. These divergent projections underline key methodological differences in the representation of hydrological processes. Nevertheless, both methods effectively provided good estimates of groundwater recharge. The recharge rates estimated from the various methods were integrated into MODFLOW to assess their relative impacts on groundwater storage dynamics. The ensemble of MODFLOW projected groundwater storage outputs can provide guidance for sustainable groundwater management in the region.Les aquifères karstiques peuvent être particulièrement vulnérables aux activités humaines et au changement climatique en raison de leur relativement haut degré de connexion avec la surface. Cette étude a utilisé un ensemble des méthodes de calcul de recharge basée sur des événements pour résoudre la problème de l’incertitude structurelle pour l’exemple de l’aquifère de la montagne occidentale (WMA), un aquifère karstique méditerranéen située en Israël et Cisjordanie. Les estimations de la recharge distribuée spatialement déduite de l’outil SWAT (Evaluation Sol et Eau) et du modèle d’infiltration basée sur les processus (PIM) ont été comparées aux modèles de régression empirique spécifiques au site. Les estimations de la recharge moyenne annuelle à partir des modèles SWAT et PIM sont comprises entre 32 et 34.6% des précipitations, ce qui équivaut presque aux résultats des modèles de régression empiriques (32-36%). Les prévisions de recharge future sous influence de changement climatique ont été quantifiées en paramétrant les méthodes SWAT et PIM avec un modèle climatique régional de descente d’échelle pour Israël. Le modèle SWAT prédit une diminution de 23% de la recharge pour la période 2051-2070 par rapport à la période 1981-2001. En revanche, le modèle PIM indique une diminution de 9%, due probablement à la représentation de l’infiltration par des voies d’écoulement préférentielles et à l’exclusion des processus de ruissellement de surface. Ces projections divergentes soulignent des différences méthodologiques clés dans la représentation des processus hydrologiques. Néanmoins, les deux méthodes ont fourni de bonnes estimations de la recharge des eaux souterraines. Les taux de recharge estimés à partir des différentes méthodes ont été intégrés dans MODFLOW pour évaluer leurs impacts relatifs sur la dynamique de stockage des eaux souterraines. L’ensemble des résultats de projections du stockage des eaux souterraines de MODFLOW peut fournir des orientations pour une gestion durable des eaux souterraines dans la région.Los acuíferos kársticos pueden ser especialmente vulnerables a las actividades humanas y al cambio climático debido a su grado relativamente alto de conexión con la superficie. Este estudio utilizó un conjunto de métodos de cálculo de recarga basados en eventos para abordar el problema de la incertidumbre estructural para el ejemplo del Acuífero de la Montaña Occidental (AMO), un acuífero kárstico mediterráneo situado en Israel y Cisjordania. Las estimaciones de recarga distribuidas espacialmente derivadas de Soil and Water Assessment Tool (SWAT) y del modelo de infiltración basado en procesos (PIM) se compararon con modelos de regresión empíricos específicos para cada emplazamiento. Las estimaciones de recarga media anual de SWAT y PIM oscilaron entre el 32-34,6% de las precipitaciones, casi igualando los resultados de los modelos de regresión empírica (32-36%). Las predicciones futuras de recarga bajo la influencia del cambio climático se cuantificaron parametrizando los métodos SWAT y PIM con un modelo climático regional de Israel reducido. SWAT predice una disminución del 23% en la recarga para 2051-2070 en relación con 1981-2001. En cambio, el PIM muestra una disminución del 9%, posiblemente debido a la representación de la infiltración a través de vías de flujo preferenciales y a la exclusión de los procesos de escorrentía superficial. Estas proyecciones divergentes subrayan diferencias metodológicas clave en la representación de los procesos hidrológicos. No obstante, ambos métodos proporcionaron efectivamente buenas estimaciones de la recarga de las aguas subterráneas. Las tasas de recarga estimadas a partir de los distintos métodos se integraron en MODFLOW para evaluar sus efectos relativos en la dinámica de almacenamiento de las aguas subterráneas. El conjunto de resultados del almacenamiento de aguas subterráneas proyectado por MODFLOW puede servir de orientación para una gestión sostenible de las aguas subterráneas en la región.岩溶含水层由于与地表的相对高度连接，特别容易受到人类活动和气候变化的影响。本研究利用基于事件的补给计算方法集合，针对位于以色列和西岸的地中海岩溶含水层——西部山脉含水层（WMA）的结构不确定性问题进行了研究。通过土壤和水评估工具（SWAT）以及基于过程的入渗模型（PIM）得出的空间分布补给估计值与现场特定的经验回归模型进行了比较。SWAT和PIM的平均年补给估计值在降水的32-34.6%之间，几乎等同于经验回归模型的结果（32-36%）。未来在气候变化影响下的补给预测是通过将SWAT和PIM方法参数化，使用以色列的降尺度区域气候模型来量化的。SWAT预测到2051-2070年相对于1981-2001年补给量将减少23%。相反，PIM显示减少9%，这可能是由于模型中优先流路径的渗透表示以及排除了地表径流过程。这些不同的预测突出了水文过程表示中的关键方法差异。尽管如此，两种方法都有效地提供了良好的地下水补给估计。从各种方法估计的补给率被整合到MODFLOW中，以评估它们对地下水储存动态的相对影响。MODFLOW集合预测的地下水储存输出可以为该地区的可持续地下水管理提供指导。Os aquíferos cársticos podem ser particularmente vulneráveis às atividades humanas e às mudanças climáticas devido ao seu grau relativamente alto de conexão com a superfície. Este estudo utilizou um conjunto de métodos de cálculo de recarga baseados em eventos para abordar o problema da incerteza estrutural para o exemplo do Aquífero Western Mountain (AWM), um aquífero cárstico mediterrâneo localizado em Israel e na Cisjordânia. Estimativas de recarga distribuídas espacialmente derivadas do Soil and Water Assessment Tool (SWAT) e do modelo de infiltração baseado em processos (MIBP) foram comparadas a modelos de regressão empírica específicos do local. As estimativas de recarga anual média do SWAT e do MIBP variaram de 32 a 34.6% da precipitação, quase igualando os resultados dos modelos de regressão empírica (32 a 36%). As previsões de recarga futura sob a influência da mudança climática foram quantificadas por meio da parametrização dos métodos SWAT e MIBP com um modelo climático regional de Israel em escala reduzida. O SWAT prevê uma redução de 23% na recarga até 2051-2070 em relação a 1981-2001. Em contraste, o MIBP mostra uma redução de 9%, possivelmente devido à representação da infiltração por meio de caminhos de fluxo preferenciais e à exclusão dos processos de escoamento superficial. Essas projeções divergentes destacam as principais diferenças metodológicas na representação dos processos hidrológicos. No entanto, ambos os métodos forneceram boas estimativas da recarga de águas subterrâneas. As taxas de recarga estimadas pelos vários métodos foram integradas ao MODFLOW para avaliar seus impactos relativos na dinâmica de armazenamento de águas subterrâneas. O conjunto de resultados de armazenamento de águas subterrâneas projetados pelo MODFLOW pode fornecer orientação para o gerenciamento sustentável das águas subterrâneas na região.TU Berlin, Open-Access-Mittel – 202