Estimation of groundwater recharge rates using soil-water isotope profiles: a case study of two contrasting dune types on Langeoog Island, Germany.
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| Title: | Estimation of groundwater recharge rates using soil-water isotope profiles: a case study of two contrasting dune types on Langeoog Island, Germany. |
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| Alternate Title: | Abschätzung der Grundwasserneubildungsrate mit Hilfe von Isotopenprofilen des Bodenwassers: eine Fallstudie zweier unterschiedlicher Dünentypen auf der Insel Langeoog, Deutschland. Estimación de las tasas de recarga de las aguas subterráneas utilizando los perfiles isotópicos del agua del suelo: un estudio de caso de dos tipos de dunas diferentes en la isla de Langeoog, Alemania. Estimation des taux de recharge des eaux souterraines à l'aide de profils d'isotopes dans les eaux des sols: un cas d'étude pour deux types de dunes contrastées sur l'île de Langeoog, Allemagne. Estimação de taxas de recarga de águas subterrâneas utilizando perfis isotópicos de água no solo: estudo de caso de dois tipos contrastantes de dunas na Ilha Langeoog, Alemanha. 使用土壤水同位素剖面估计地下水补给率:以德国Langeoog岛两种不同沙丘类型为例 |
| Authors: | Post, V. E. A.1,2 (AUTHOR), Zhou, T.3 (AUTHOR), Neukum, C.1 (AUTHOR), Koeniger, P.1 (AUTHOR), Houben, G. J.1 (AUTHOR) georg.houben@bgr.de, Lamparter, A.1 (AUTHOR), Šimůnek, J.3 (AUTHOR) |
| Source: | Hydrogeology Journal. May2022, Vol. 30 Issue 3, p797-812. 16p. |
| Subjects: | Groundwater recharge, Sand dunes, Isotopes, Saltwater encroachment, Stable isotopes, Barrier islands, Islands, Isotopic fractionation |
| Geographic Terms: | Germany |
| Abstract (English): | The creation of artificial dunes for coastal protection may have important consequences for freshwater lenses in coastal aquifers. The objective of this study was to compare the recharge processes below such a young dune with scant vegetation to an older dune covered by grass and herbaceous vegetation. To this aim, soil and water samples were collected from the unsaturated zone at two sites on Langeoog Island in northern Germany, and the soil water was analysed for stable water isotopes and chloride. Recharge rates were calculated by using a new version of HYDRUS-1D, which was modified to simulate isotope fractionation during evaporation. Both the model outcomes and the data highlight the importance of fractionation, which is slightly more pronounced at the older, more vegetated dune. At the newly constructed dune, vegetation dieback seemingly reduces the importance of transpiration during summer. Recharge occurs year-round, albeit predominantly during the winter months. Calculated recharge rates are consistent with lysimeter measurements, but are significantly higher than previously reported rates based on groundwater age data, which is primarily attributed to the absence of dune shrub at the sites investigated here. More data are needed to establish the importance of soil-water repellency and overland flow. Based on the results, it is proposed that repeated isotope sampling can yield important insights into the dynamics of recharge processes, including their response to climate change. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Spanish): | Resumen: La formación de dunas artificiales para la protección de la costa puede tener importantes consecuencias para las lentes de agua dulce en los acuíferos costeros. El objetivo de este estudio fue comparar los procesos de recarga por debajo de una duna joven con escasa vegetación con una duna más antigua cubierta de gramíneas y vegetación herbácea. Para ello, se recolectaron muestras de suelo y agua de la zona no saturada en dos lugares de la isla de Langeoog, en el norte de Alemania, y se analizó el agua del suelo en busca de isótopos estables del agua y cloruro. Las tasas de recarga se calcularon utilizando una nueva versión de HYDRUS-1D, que se modificó para simular el fraccionamiento isotópico durante la evaporación. Tanto los resultados del modelo como los datos destacan la importancia del fraccionamiento, que es ligeramente más pronunciado en la duna más antigua y con más vegetación. En la duna recién construida, el retroceso de la vegetación parece reducir la importancia de la transpiración durante el verano. La recarga se produce durante todo el año, aunque predominantemente durante los meses de invierno. Las tasas de recarga calculadas son consistentes con las mediciones del lisímetro, pero son significativamente más altas que las tasas previamente informadas basadas en los datos de edad de las aguas subterráneas, lo que se atribuye principalmente a la ausencia de arbustos de duna en los sitios aquí investigados. Se necesitan más datos para establecer la importancia de la retención del agua en el suelo y del flujo superficial. En base a los resultados, se propone que la repetición de los muestreos isotópicos puede aportar importantes conocimientos sobre la dinámica de los procesos de recarga, incluyendo su respuesta al cambio climático. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (French): | Résumé: La création de dunes artificielles pour la protection des côtes a des conséquences importantes sur les lentilles d'eau douce des aquifères côtiers. L'objective de cette étude est de comparer les processus de recharge sous une dune récente avec une végétation peu développée avec une dune plus ancienne recouverte d'herbe et plantes herbacées. Pour cela, les échantillons de sol et d'eau ont été collectés dans la zone non saturée sur deux sites de l'île de Langeoog dans le nord de l'Allemagne, et les isotopes stables de la molécule d'eau et le chlore ont été analysés pour l'eau des sols. Les taux de recharge ont été calculés en utilisant une nouvelle version de HYDRUS-1D, qui a été modifiée pour simuler le fractionnement isotopique durant l'évaporation. Les sorties des modèles comme les données montrent l'importance du fractionnement, qui est un peu plus prononcée pour la dune ancienne, plus végétalisée. Pour la dune construite récemment, le dépérissement de la végétation semble réduire l'importance de la transpiration en été. La recharge a lieu durant toute l'année, mais est prédominante durant les mois d'hiver. Les taux de recharge calculés sont en accord avec les mesures sur lysimètres, mais sont significativement plus élevés que les taux reportés auparavant, basés sur des données d'âge des eaux, différence attribuée principalement à l'absence d'arbrisseaux de dunes sur les sites étudiés. Davantage de données sont nécessaires pour établir l'importance du caractère hydrofuge des sols et de l'écoulement de surface. En se basant sur ces résultats, un échantillonnage isotopique régulier pourrait apporter d'importantes avancées dans la compréhension de la dynamique des processus de recharge y compris sa relation avec le changement climatique. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (German): | Zusammenfassung: Die Anlage von künstlichen Dünen zum Zwecke des Küstenschutzes kann auch wichtige Folgen für die Süßwasserlinsen in Küstenaquiferen haben. Das Ziel dieser Studie war es die Neubildungsprozesse unter einer solchen jungen Düne mit geringem Bewuchs mit der unter einer älteren Düne mit Gras- und Krautbewuchs zu vergleichen. Zu diesem Zweck wurden Boden- und Wasserproben von zwei Untersuchungsstandorten auf der norddeutschen Insel Langeoog genommen und das Bodenwasser auf stabile Wasserisotope und Chlorid analysiert. Die Neubildungsraten wurden mit einer neuen Version von HYDRUS-1D berechnet, die modifiziert wurde um die Isotopenfraktionierung während der Evaporation zu simulieren. Sowohl die Modellergebnisse als auch die Daten unterstreichen die Bedeutung der Fraktionierung, die unter der älteren, mehr bewachsenen Düne etwas ausgeprägter ist. Bei der neu aufgeschütteten Düne scheint das Absterben der Vegetation im Sommer die Bedeutung der Transpiration zu vermindern. Neubildung findet über das ganze Jahr statt, schwerpunktmäßig allerdings in den Wintermonaten. Die berechneten Neubildungsraten stimmen mit Lysimeter-Messungen überein, sind aber signifikant höher als zuvor publizierte, auf Grundwasseraltern beruhende Daten, was hauptsächlich auf die Abwesenheit von Strauchvegetation an den hier untersuchten Standorten zurückgeführt wird. Weitere Daten werden benötigt um die Bedeutung der Benetzungshemmung des Bodens und des Oberflächenabflusses bewerten zu können. Auf Basis der Daten wird postuliert, dass wiederholte Beprobung der Isotopie wichtige Einsichten in die Dynamik von Neubildungsprozessen geben können, einschließlich ihrer Reaktion auf den Klimawandel. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Portuguese): | Resumo: A criação de dunas artificiais para proteção costeira pode causar importantes consequências para lentes de água doce em aquíferos costeiros. O objetivo deste estudo foi comparar o processo de recarga abaixo de uma duna jovem com vegetação escassa e uma duna mais velha coberta por vegetação gramínea e herbácea. Para este propósito, amostras de água e solo foram coletadas da zona insaturada em dois locais na Ilha Langeoog no norte da Alemanha, e a água do solo foi analisada para isótopos estáveis da água e cloreto. Taxas de recarga foram calculadas utilizando uma nova versão do HYDRUS-1D, que foi modificado para simular o fracionamento isotópico durante a evaporação. Ambos o resultado do modelo e os dados destacam a importância do fracionamento, que é levemente mais pronunciado na mais velha, mais vegetada duna. Na duna recém construída, a morte rápida da vegetação aparentemente reduz a importância da transpiração durante o verão. Recarga ocorre todo ano, ainda que predominante durante os meses de inverno. Taxas de recarga calculadas são consistentes com mensurações do lisímetro, mas são significativamente mais altas que as taxas previamente registradas baseadas em dados de idade das águas subterrâneas, que é principalmente atribuída a ausência de duna de arbustos nos locais investigados. São necessários mais dados para estabelecer a importância da repelência da água no solo e do escoamento superficial. Baseados nos resultados, é proposto que a amostragem isotópica repetitiva pode conter importantes informações sobre a dinâmica do processo de recarga, incluindo sua resposta as mudanças climáticas. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
| Abstract (Chinese): | 摘要: 为保护海岸而建造的人工沙丘可能对海岸含水层中的淡水透镜体产生重要影响。这项研究的目的是比较这样植被稀少的年轻沙丘与覆盖着草和草本植被的较老沙丘的补给过程。为此, 我们从德国北部 Langeoog 岛的两个地点的非饱和区采集了土壤和水样, 并分析了土壤水中的稳定水同位素和氯化物。通过使用新版本的 HYDRUS-1D 计算补给率, 该版本经过修改以模拟蒸发过程中的同位素分馏。模型结果和数据都强调了分馏的重要性, 这在较老, 植被较多的沙丘上更为明显。在新建的沙丘上, 植被枯死似乎降低了夏季蒸腾的重要性。在全年都有补给, 尽管主要在冬季。计算的补给率与蒸渗仪测量值一致, 但明显高于先前基于地下水年龄数据报告的补给率, 这主要是因为此处调查的地点没有沙丘灌木。需要更多数据来确定土壤斥水性和地表径流的重要性。基于这些结果, 建议重复同位素采样, 以期对包括它们对气候变化的响应的补给过程动态产生重要的认识。 [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
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| Database: | Engineering Source |
| Abstract: | The creation of artificial dunes for coastal protection may have important consequences for freshwater lenses in coastal aquifers. The objective of this study was to compare the recharge processes below such a young dune with scant vegetation to an older dune covered by grass and herbaceous vegetation. To this aim, soil and water samples were collected from the unsaturated zone at two sites on Langeoog Island in northern Germany, and the soil water was analysed for stable water isotopes and chloride. Recharge rates were calculated by using a new version of HYDRUS-1D, which was modified to simulate isotope fractionation during evaporation. Both the model outcomes and the data highlight the importance of fractionation, which is slightly more pronounced at the older, more vegetated dune. At the newly constructed dune, vegetation dieback seemingly reduces the importance of transpiration during summer. Recharge occurs year-round, albeit predominantly during the winter months. Calculated recharge rates are consistent with lysimeter measurements, but are significantly higher than previously reported rates based on groundwater age data, which is primarily attributed to the absence of dune shrub at the sites investigated here. More data are needed to establish the importance of soil-water repellency and overland flow. Based on the results, it is proposed that repeated isotope sampling can yield important insights into the dynamics of recharge processes, including their response to climate change. [ABSTRACT FROM AUTHOR] |
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| ISSN: | 14312174 |
| DOI: | 10.1007/s10040-022-02471-y |
