Các mối quan hệ thực nghiệm giữa đầu nước ngầm và độ mặn phản ứng với biến động của mực nước biển và nạp nước dọc trong các tầng chứa nước karst bị giới hạn ven biển

Springer Science and Business Media LLC - Tập 28 - Trang 1679-1694 - 2020
Cesar Canul-Macario1, Paulo Salles1,2, Antonio Hernández-Espriú3, Roger Pacheco-Castro1,2
1Laboratorio de Ingeniería y Procesos Costeros, Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, Sisal, Mexico
2Laboratorio Nacional de Resiliencia Costera, Sisal, Mexico
3Hydrogeology Group, Facultad de Ingeniería, UNAM, Ciudad de Mexico, Mexico

Tóm tắt

Các tầng chứa nước ven biển được đặc trưng bởi một vùng pha trộn với sự tương tác giữa nước ngọt và nước mặn, có mối quan hệ chặt chẽ với các lực lượng thủy văn như thủy triều thiên văn và thời tiết, nạp nước vào tầng chứa nước và hiệu ứng bơm. Những lực lượng này điều khiển đầu nước ngầm của tầng chứa nước, phân bố không gian của độ mặn nước ngầm và vị trí của mặt nước mặn. Nghiên cứu này là một đánh giá thực nghiệm thông qua phân tích chuỗi thời gian giữa đầu tầng chứa nước và độ mặn nước ngầm liên quan đến động lực học mực nước biển và nạp nước tầng chứa nước. Áp suất nước ngầm, nhiệt độ và độ mặn được đo ở một tầng chứa nước bị giới hạn tại bờ tây bắc của Yucatan (México) trong khoảng thời gian từ tháng 5 năm 2017 đến tháng 5 năm 2018, cùng với lượng mưa. Phân tích tương quan chéo và tương quan Pearson tuyến tính (r) được thực hiện với các chuỗi thời gian dữ liệu, phân tách giữa thủy triều thiên văn và khí tượng cũng như hiệu ứng nạp nước dọc. Kết quả cho thấy thủy triều thiên văn và khí tượng có mối tương quan trực tiếp với phản ứng đầu tầng chứa nước (0.71 < r < 0.99). Độ mặn có mối quan hệ trực tiếp và mạnh mẽ với thủy triều thiên văn (0.76 < r < 0.98), trong khi thủy triều khí tượng không có (r < 0.5). Nạp nước dọc cho thấy có mối tương quan trung bình với đầu tầng chứa nước (0.5 < r < 0.7) và có mối tương quan không đáng kể với độ mặn nước ngầm (r < 0.5). Trong nghiên cứu này, mực nước biển (r > 0.7) là một yếu tố quan trọng hơn so với nạp nước dọc (với 0.5 < r < 0.7). Các mối quan hệ thực nghiệm thông qua phân tích chuỗi thời gian và việc phân tách các lực lượng thủy văn riêng biệt trong phân tích là các công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu, xác định và xác thực mô hình khái niệm của tầng chứa nước.

Từ khóa

#tầng chứa nước ven biển #độ mặn nước ngầm #mực nước biển #nạp nước dọc #phân tích chuỗi thời gian #thủy triều thiên văn

Tài liệu tham khảo

Bakker M, Schaars F (2019) Solving groundwater flow problems with time series analysis: you may not even need another model. Groundwater 57:826–833. https://doi.org/10.1111/gwat.12927 Bear J (1972) Dynamics of fluids in porous media. Soil Sci 120:162–163. https://doi.org/10.1097/00010694-197508000-00022 Box GEP, Jenkins GM, y Reinsel GC (1994) Análisis, pronóstico y control de series temporales. 3ª Edición, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey Butterlin J, Bonet F (1963) Las Formaciones Cenozoicas de la parte Mexicana de la Península de Yucatán [The Cenozoic formations of the Mexican part of the Yucatan peninsula]. Ing Hidrául México 17:63–71 CONAGUA (2012) Programa Hídrico Regional Visión 2030 [Regional Hydric Program: 2030 Vision]. CONAGUA, Ciudad de México Cook PG (2003) A guide to regional flow in fractured rock aquifers, CSIRO. CM Digital, Glen Osmond, SA, Australia Coutino A, Stastna M, Kovacs S, Reinhardt E (2017) Hurricanes Ingrid and Manuel (2013) and their impact on the salinity of the meteoric water mass, Quintana Roo, Mexico. J Hydrol 551:715–729. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.04.022 Dessu SB, Price RM, Troxler TG, Kominoski JS (2018) Effects of sea-level rise and freshwater management on long-term water levels and water quality in the Florida Coastal Everglades. J Environ Manag 211:164–176. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.01.025 Domenico PA, Schwartz FW (1997) Physical and chemical hydrogeology, 2nd edn. Wiley, Chichester, UK Fernández-Ayuso A, Aguilera H, Guardiola-Albert C, Rodríguez-Rodríguez M, Heredia J, Naranjo-Fernández N (2019) Unraveling the hydrological behavior of a coastal pond in Doñana National Park (Southwest Spain). Groundwater 57:895–906. https://doi.org/10.1111/gwat.12906 Ferris JG (1952) Cyclic fluctuations of water level as a basis for determining aquifer transmissibility. https://doi.org/10.3133/70133368 Fiorillo F, Esposito L, Testa G, Ciarcia S (2018) The upwelling water flux feeding springs: hydrogeological and hydraulic features. Water 10:1–21. https://doi.org/10.3390/w10040501 Fisher R (1958) Statistical methods for research workers, 13th edn. Oliver and Boyd, Edinburgh Ketabchi H, Mahmoodzadeh D, Ataie-Ashtiani B, Simmons CT (2016) Sea-level rise impacts on seawater intrusion in coastal aquifers: review and integration. J Hydrol 535:235–255. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.01.083 Kovacs SE, Reinhardt EG, Stastna M, Coutino A, Werner C, Collins SV, Devos F, Le Maillot C (2017) Hurricane Ingrid and Tropical Storm Hanna’s effects on the salinity of the coastal aquifer, Quintana Roo, Mexico. J Hydrol 551:703–714. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.02.024 Kovacs SE, Reinhardt EG, Werner C, Kim ST, Devos F, Le Maillot C (2018) Seasonal trends in calcite-raft precipitation from cenotes Rainbow, Feno and Monkey Dust, Quintana Roo, Mexico: implications for paleoenvironmental studies. Palaeogeogr Palaeoclimatol Palaeoecol 497:157–167. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2018.02.014 Kumar P, Bansod BKS, Debnath SK, Thakur PK, Ghanshyam C (2015) Index-based groundwater vulnerability mapping models using hydrogeological settings: a critical evaluation. Environ Impact Assess Rev 51:38–49. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2015.02.001 Legates DR, McCabe GJ (1999) Evaluating the use of ‘goodness-of-fit’ measures in hydrologic and hydroclimatic model validation. Water Resour Res 35:233–241 Levanon E, Yechieli Y, Gvirtzman H, Shalev E (2017) Tide-induced fluctuations of salinity and groundwater level in unconfined aquifer: field measurements and numerical model. J Hydrol 551:665–675. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.12.045 Lewis EL (1980) The practical salinity scale 1978 and its antecedents. IEEE J Ocean Eng 5:3–8. https://doi.org/10.1109/JOE.1980.1145448 Masselink G, Hughes MG (2003) Tides, chap 3. In: Education H (ed) Introduction to coastal processes and geomorphology, 1st edn. Hodder, London, pp 45–66 Mexican Geological Service (2005) Carta Geológico-Minera Tizimín F16–7 Estado de Yucatán [Geological-Mineral Map F16–7: Tizimin Yucatan Mexico]. Mexican Geological Service, Mexico City Parra SM, Valle-Levinson A, Mariño-Tapia I, Enriquez C, Candela J, Sheinbaum J (2016) Seasonal variability of saltwater intrusion at a point-source submarine groundwater discharge. Limnol Oceanogr 61:1245–1258. https://doi.org/10.1002/lno.10286 Pawlowicz R, Beardsley B, Lentz S (2002) Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE. Comput Geosci 28:929–937. https://doi.org/10.1016/S0098-3004(02)00013-4 Perry E, Gamboe J, Reeve A, Sanborn R, Marin L, Villasuso M (1989) Geologic and environmental aspects of surface cementation, north coast, Yucatan, Mexico. Geology 17:818–821 Post VEA, Werner AD (2017) Coastal aquifers: scientific advances in the face of global environmental challenges. J Hydrol 551:1–3. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.04.046 Rachid G, El-Fadel M, Abou Najm M, Alameddine I (2017) Towards a framework for the assessment of saltwater intrusion in coastal aquifers. Environ Impact Assess Rev 67:10–22. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2017.08.001 Rao KD, Swamy MNS (2018) Spectral analysis of signals. In: Digital signal processing: theory and practice. Springer, Singapore, pp 721–751 Rocha H, Cardona A, Graniel E, Alfaro C, Castro J, Rüde T, Herrera E, Heise L (2015) Interfases de agua dulce y agua salobre en la región Mérida-Progreso, Yucatán [Freshwater and brackish interfaces in the Merida-Progreso Yucatan region]. Tecnol Ciencias Agua 6:89–112 http://www.scielo.org.mx/pdf/tca/v6n6/2007-2422-tca-6-06-00089.pdf Sun H, Koch M (2001) Case study: analysis and forecasting of salinity in Apalachicola Bay, Florida, using Box-Jenkins Arima models. J Hydraul Eng 127:718–727 Torres-Freyermuth A, Puleo JA, DiCosmo N, Allende-Arandía ME, Chardón-Maldonado P, López J, Figueroa-Espinoza B, de Alegria-Arzaburu AR, Figlus J, Roberts Briggs TM, de la Roza J, Candela J (2017) Nearshore circulation on a sea breeze dominated beach during intense wind events. Cont Shelf Res 151:40–52. https://doi.org/10.1016/j.csr.2017.10.008 Torres-Mota R, Salles P, Lopez-Gonzalez J (2014) Efectos del aumento del nivel del mar por cambio climático en la morfología de la ría de Celestún, Yucatán [Effects of sea level rise due to climate change on the morphology of the Celestún estuary, Yucatán]. Tecnol Ciencias Agua V:5–20 Trglavcnik V, Morrow D, Weber KP, Li L, Robinson CE (2018) Analysis of tide- and offshore storm-induced water table fluctuations for structural characterization of a coastal island aquifer. Water Resour Res 54:2749–2767. https://doi.org/10.1002/2017WR020975 Tularam GA, Keeler HP (2006) The study of coastal groundwater depth and salinity variation using time-series analysis. Environ Impact Assess Rev 26:633–642. https://doi.org/10.1016/j.eiar.2006.06.003 UNAM (2000) Servicio Mareográfico Nacional [Mareograph National Service]. In: Serv. Marerográfico Nac. www.mareografico.unam.mx. Accessed 20 Jul 2012 Vera I, Mariño-Tapia I, Enriquez C (2012) Effects of drought and subtidal sea-level variability on salt intrusion in a coastal karst aquifer. Mar Freshw Res 63:485–493. https://doi.org/10.1071/MF11270 Villasuso M, Méndez R (2000) Population, development, and environment on the Yucatán peninsula: from ancient Maya to 2030. In: Lutz, Wolgang, Prieto, Leonel, Sanderson W (ed) population, development, and environment on the Yucatan peninsula. International Institute for Applied System Analysis, Luxembrugo, Austria, pp 120–139 Villasuso-Pino M, Sanchez y Pinto I, Canul-Macario C, Baldazo Escobedo G, Casares Salazar R, Souza Cetina J, Poot Euan P, Pech C (2011) Hydrogeology and conceptual model of the Karstic coastal aquifer in northern Yucatan state, Mexico. Trop Subtro Tropical Agroecosystems 13:243–260 Werner AD, Bakker M, Post VEA, Vandenbohede A, Lu C, Ataie-Ashtiani B, Simmons CT, Barry DA (2013) Seawater intrusion processes, investigation and management: recent advances and future challenges. Adv Water Resour 51:3–26. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.03.004 Young C, Martin JB, Branyon J, Pain A, Valle-Levinson A, Mariño-Tapia I, Vieyra MR (2018) Effects of short-term variations in sea level on dissolved oxygen in a coastal karst aquifer, Quintana Roo, Mexico. Limnol Oceanogr 63:352–362. https://doi.org/10.1002/lno.10635 Zavala-Hidalgo J, de Buen Kalman R, Romero-Centeno R, Hernández Maguey F (2010) Tendencias del nivel del mar en las costas mexicanas [Sea level trends on the Mexican coasts]. In: Botello A, Villanueva-Fragoso S, Gutiérrez J, Rojas J (ed) Vulnerabilidad de las zonas costeras mexicanas ante el cambio climático [Vulnerability of Mexican coastal areas to climate change], 1st edn. SEMARNAT-INE, Campeche Mexico, pp 249–267