Estimating the specific yield of the Pampeano aquifer, Argentina, using superconducting gravimeter data

Abstract

Specific yield is a key parameter for the sustainable management of unconfined aquifers, since it relates water-table fluctuations to aquifer storage-changes and thus impacts water supply. However, estimating specific yield is still a challenge due to theoretical and methodological limitations. Water-storage changes in the aquifer and in the overlying unsaturated soil profile cause local changes in gravity that can be recorded by high-precision superconducting gravimeters. In this work, a novel methodology to estimate specific yield from superconducting gravimeter data is presented. The proposed methodology is based on a hydrogravimetric model that estimates the gravity response due to the loss and gain of water mass in the soil profile using rainfall, water-table and air-temperature data. The model is applied to a study site of the Pampeano aquifer in Argentina where a continuous 1-year record of superconducting gravimeter measurements is available. The specific yield value obtained using this methodology is 0.11 ± 0.039, which is validated by means of a long-term pumping test performed at the study site. The proposed method constitutes a promising alternative to the available tools for estimating specific yield, by taking advantage of superconducting gravity data.

El rendimiento específico es un parámetro fundamental para la gestión sustentable de acuíferos libres, ya que relaciona las fluctuaciones del nivel freático con las variaciones en el almacenamiento del acuífero, impactado en consecuencia en el suministro de agua. No obstante ello, la estimación del rendimiento específico sigue siendo un desafío debido a limitaciones teóricas y metodológicas. Las variaciones en las reservas de agua del acuífero y en el perfil de suelo no saturado que lo recubre producen variaciones locales de gravedad que pueden ser registradas por gravímetros superconductores de alta precisión. En este trabajo, se presenta una técnica novedosa para estimar el rendimiento específico a partir de los datos de un gravímetro superconductor. La metodología propuesta se basa en un modelo hidrogravimétrico que estima la respuesta gravimétrica debido a pérdidas y ganancias de masas de agua en el perfil del suelo, utilizando datos de precipitaciones, nivel freático y temperatura del aire. El modelo se aplica en un sitio de estudio del acuífero Pampeano en Argentina, donde se dispone de un registro continuo de un año de mediciones de un gravímetro superconductor. El valor del rendimiento específico obtenido a partir de esta metodología es 0.11 ± 0.039, el cual es validado mediante un ensayo de bombeo de larga duración realizado en el sitio de estudio. El método propuesto constituye una prometedora alternativa a las herramientas disponibles para estimar el rendimiento específico, que utiliza a su favor los datos de un gravímetro superconductor.

O rendimento específico é um parâmetro chave para o gerenciamento sustentável de aquíferos não confinados, uma vez que relaciona as flutuações do lençol freático às mudanças no armazenamento do aquífero e, portanto, afeta o suprimento de água. No entanto, estimar o rendimento específico ainda é um desafio devido a limitações teóricas e metodológicas. As mudanças no armazenamento de água no aquífero e no perfil de solo não saturado sobrejacente causam mudanças locais na gravidade que podem ser registradas por gravímetros supercondutores de alta precisão. Neste trabalho, é apresentada uma nova metodologia para estimar o rendimento específico dos dados do gravimetria por supercondução. A metodologia proposta é baseada em um modelo hidrogravimétrico que estima a resposta da gravidade devido à perda e ganho de massa de água no perfil do solo, usando dados de chuva, lençol freático e temperatura do ar. O modelo é aplicado a um local de estudo do aquífero Pampeano, na Argentina, onde está disponível um registro contínuo de um ano de medições de gravímetros supercondutores. O valor de rendimento específico obtido com esta metodologia é de 0.11 ± 0.039, validado por meio de um teste de bombeamento de longo prazo realizado no local do estudo. O método proposto constitui uma alternativa promissora às ferramentas disponíveis para estimar o rendimento específico, aproveitando os dados de gravímetros supercondutores.

L’emmagasinement spécifique est un paramètre clé pour la gestion durable des aquifères à nappe libre, car il met en relation les fluctuations de la surface libre et les variations de stockage de l’aquifère et a donc un impact sur l’approvisionnement en eau. Cependant, l’estimation de l’emmagasinement spécifique reste un défi en raison de limites théoriques et méthodologiques. Les modifications du stockage de l’eau dans l’aquifère et dans le profil du sol non saturé sus-jacent provoquent des changements locaux de gravité qui peuvent être enregistrés par des gravimètres supraconducteurs de haute précision. Dans ce travail, une nouvelle méthodologie pour estimer l’emmagasinement spécifique à partir des données des gravimètres supraconducteurs est présentée. La méthodologie proposée est basée sur un modèle hydro-gravimétrique qui estime la réponse de la gravité due à la perte ou au gain de masse d’eau dans le profil du sol en utilisant des données sur les précipitations, la surface libre et la température de l’air. Le modèle est appliqué au site d’étude de l’aquifère de Pampeano en Argentine où un enregistrement continu d’un an des mesures d’un gravimètre supraconducteur est disponible. La valeur de d’emmagasinement spécifique obtenue à l’aide de cette méthode est de 0.11 ± 0.039, ce qui est validé par un test de pompage de longue durée effectué sur le site d’étude. La méthode proposée constitue une alternative prometteuse aux outils disponibles pour l’estimation de l’emmagasinement spécifique, en tirant parti des données de la gravimétrie supraconductrice.