Loading...
Study of storm-generated response in karst springs to assess spring watershed characteristics
Feliciano Cruz, Luisa I.
Feliciano Cruz, Luisa I.
Citations
Altmetric:
Abstract
Karst terrains show distinctive surface and subsurface features associated with sinkholes, caves, and springs. Karst springs, in particular, provide an insight into the interaction of input precipitation, karst aquifers, and groundwater discharge (groundwater-surface water interaction). Karst aquifers, in turn, are a significant freshwater resource for human consumption and ecological integrity. Hence, understanding how hydrologic conditions in karst environments, particularly in springs, affect contaminant fate and transport is crucial to establishing effective source water protection areas (SWPAs) to safeguard groundwater and public health. Therefore, this dissertation aims to develop a methodology to delineate spring watersheds in karst by relating spatiotemporal rainfall events to spring discharge response, using the northern karst region of Puerto Rico as a case study. Multivariate time series analysis is employed to cross-correlate spatiotemporal rainfall distribution from NOAA’s Next Generation Weather Radar (NEXRAD) imagery and spring response by considering specific storm events. The cross-correlation coefficients determined which pixels contribute to groundwater recharge and, ultimately, spring catchment by mapping their locations using geographical information system (GIS) software. Results show that the spring under study exhibits variable flow response to major rain events depending on hydrologic conditions. This was evidenced by lag times of 3 and 79 days for wet and dry years, respectively. Results for the spatiotemporal cross-correlation analysis provided a potential catchment area of about 12.25 sq mi, which agrees with the proposed groundwater flow direction and groundwater divides. Hence, the proposed methodology offers crucial insights into delineating spring watersheds, facilitating an understanding of potential contaminant fate, transport, and mass loading. This understanding, in turn, can support the establishment of SWPAs, ensuring the preservation of groundwater resources and the safeguarding of public health.
Los terrenos kársticos muestran características superficiales y subterráneas distintivas, asociadas con sumideros, cuevas y manantiales. Los manantiales kársticos permiten entender la interacción entre precipitación, los acuíferos kársticos y la descarga de agua subterránea. Los acuíferos kársticos, a su vez, son un importante recurso de agua dulce para el consumo humano y la integridad ecológica. Por lo tanto, comprender cómo las condiciones hidrológicas en los ambientes kársticos, particularmente en los manantiales, afectan el destino y el transporte de los contaminantes es crucial para establecer áreas de protección de fuentes de agua (SWPA, por sus siglas en inglés) efectivas para salvaguardar las aguas subterráneas y la salud pública. Por lo tanto, el objetivo de esta disertación es desarrollar una metodología para delinear cuencas hidrográficas de manantiales kársticos relacionando eventos de lluvia espaciotemporales con la respuesta de descarga de los manantiales, utilizando la región kárstica del norte de Puerto Rico como estudio de caso. El análisis de series de tiempo multivariado se emplea para correlacionar de forma cruzada la distribución de lluvia espaciotemporal en imágenes del Next Generation Weather Radar (NEXRAD) de la NOAA y la respuesta del manantial al considerar eventos de tormenta específicos. Los coeficientes de correlación cruzada determinan qué píxeles contribuyen a la recarga de las aguas subterráneas y así, el área de la cuenca del manantial, mediante el mapeo de su ubicación utilizando sistemas de información geográfica (SIG). Los resultados muestran que el manantial bajo estudio exhibe una respuesta de flujo variable a eventos de lluvia importantes dependiendo de las condiciones hidrológicas. Esto quedó evidenciado por tiempos de retraso de 3 y 79 días para los años húmedos y secos, respectivamente. Los resultados del análisis de correlación cruzada espaciotemporal proporcionaron un área de captación potencial de aproximadamente 12.25 millas cuadradas, lo que concuerda con la dirección del flujo de agua subterránea y las barreras de agua subterránea propuestas. Por lo tanto, la metodología propuesta ofrece información crucial para delimitar las cuencas hidrográficas de los manantiales, lo que facilita la comprensión del destino, el transporte y la carga masiva de contaminantes potenciales. Este entendimiento, a su vez, puede apoyar el establecimiento de SWPA, asegurando la preservación de los recursos de aguas subterráneas y la salvaguardia de la salud pública.
Los terrenos kársticos muestran características superficiales y subterráneas distintivas, asociadas con sumideros, cuevas y manantiales. Los manantiales kársticos permiten entender la interacción entre precipitación, los acuíferos kársticos y la descarga de agua subterránea. Los acuíferos kársticos, a su vez, son un importante recurso de agua dulce para el consumo humano y la integridad ecológica. Por lo tanto, comprender cómo las condiciones hidrológicas en los ambientes kársticos, particularmente en los manantiales, afectan el destino y el transporte de los contaminantes es crucial para establecer áreas de protección de fuentes de agua (SWPA, por sus siglas en inglés) efectivas para salvaguardar las aguas subterráneas y la salud pública. Por lo tanto, el objetivo de esta disertación es desarrollar una metodología para delinear cuencas hidrográficas de manantiales kársticos relacionando eventos de lluvia espaciotemporales con la respuesta de descarga de los manantiales, utilizando la región kárstica del norte de Puerto Rico como estudio de caso. El análisis de series de tiempo multivariado se emplea para correlacionar de forma cruzada la distribución de lluvia espaciotemporal en imágenes del Next Generation Weather Radar (NEXRAD) de la NOAA y la respuesta del manantial al considerar eventos de tormenta específicos. Los coeficientes de correlación cruzada determinan qué píxeles contribuyen a la recarga de las aguas subterráneas y así, el área de la cuenca del manantial, mediante el mapeo de su ubicación utilizando sistemas de información geográfica (SIG). Los resultados muestran que el manantial bajo estudio exhibe una respuesta de flujo variable a eventos de lluvia importantes dependiendo de las condiciones hidrológicas. Esto quedó evidenciado por tiempos de retraso de 3 y 79 días para los años húmedos y secos, respectivamente. Los resultados del análisis de correlación cruzada espaciotemporal proporcionaron un área de captación potencial de aproximadamente 12.25 millas cuadradas, lo que concuerda con la dirección del flujo de agua subterránea y las barreras de agua subterránea propuestas. Por lo tanto, la metodología propuesta ofrece información crucial para delimitar las cuencas hidrográficas de los manantiales, lo que facilita la comprensión del destino, el transporte y la carga masiva de contaminantes potenciales. Este entendimiento, a su vez, puede apoyar el establecimiento de SWPA, asegurando la preservación de los recursos de aguas subterráneas y la salvaguardia de la salud pública.
Description
Date
2023-12-12
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Collections
Keywords
Karst aquifers, Karst springs, Groundwater-surface water interaction, Spatiotemporal analysis, Cross-correlation