Estimation of water balance and groundwater processes of the Salinas to Patillas area in southeastern Puerto Rico for 1980 - 2010

Abstract

This study describes the groundwater recharge and pumpage, and surface water distribution through a water balance model for the Salinas to Patillas agricultural area located over the alluvium of the eastern part of the Puerto Rico South Coast Aquifer. This area is influenced by the Patillas-Guamaní irrigation canals of the Guayama Irrigation District which is a subdivision of the Puerto Rico Electric and Power Authority (PREPA). The combined soil water and groundwater budgets are based on data collected during the last 31 years, from 1980 to 2010. It is believed that recharge is as dependant on annual precipitation distribution as it is to annual total precipitation. It was estimated that the average annual percolation from precipitation from 1980 through 1993 was 15 percent of the total rainfall while 1994 through 2010 was 11 percent. Percolation from irrigation gradually decreased from the early 1980s to the mid 2000s as irrigation efficiency gradually increased during this period and irrigated area decreased. Based on water deliveries data by PREPA and irrigation efficiency estimates, it is theorized that in furrow irrigation fields about 20 percent of the irrigation water applied actually recharge the aquifer, where other 10 to 40 percent of the water that may recharge the aquifer in irrigated fields is the direct result of the interaction between precipitation and irrigation. In the same way, it is theorized that none of the water imported for drip irrigation percolates and that in sprinkler irrigated fields only about 5% of the imported water percolates, where all other percolation come from the interaction with precipitation. For Guayama, Arroyo and Patillas, the general order of importance for groundwater recharge inputs was estimated as precipitation, streams, canals, irrigation and dams. In the Salinas area was the stream percolation the most important input, followed by precipitation, canals and irrigation. Irrigation canals are a very important source of groundwater recharge because of its continuous and safe input to groundwater. Estimated groundwater recharge from the two reservoirs within the study area was determined as negligible. The Salinas to Patillas area experienced a reduction in groundwater pumpage after the sugarcane production stopped in the area due to the reduction in irrigation water requirement and in irrigated area. The greatest reduction in groundwater pumpage prior and after the end of sugarcane production was experienced by Arroyo (49 %) while Guayama experienced the least changes (11 %). Reduction in groundwater pumpage in Patillas and Salinas was estimated to be 27 and 14 percent, respectively. In general, results from the model show a healthy aquifer in the Arroyo, Patillas and Guayama area in terms that net groundwater recharge where the vast majority of the years counted with average net recharge rates greater than 180 mm/yr. Results indicates that in the Salinas area the average net groundwater recharge was around 64 mm/yr and groundwater depletion to the point of possible saltwater intrusion occurred during the years 1980, 1983, 1991, 1993, 1994, 1995, 1997, 2000, 2001, 2002, and 2009 due to the high water extractions for public supply and for irrigation practices. Two scenarios were studied as possible strategies for groundwater management in the Salinas area involving the irrigation canals and assuming that its development is feasible: 1) increase surface water imports from the canals to farms and decrease or eliminate groundwater extractions for irrigation practices, 2) create infiltration ponds that use collected runoff, treated wastewater and exceeding water from irrigation canal as source of artificial aquifer recharge in strategic areas. Mitigation on groundwater depletion in Salinas could be planned in such a way in which 75 percent of the irrigation water requirement is provided by the irrigation canals and 25 percent by pumpage. On the other hand, it was found that the use of 2 shallow infiltration ponds of a total volume of 12,335 m3 that are constantly feeding the aquifer with percolated water produce positive net groundwater recharge even in the worst case scenarios and could increase the average net recharge from 64 to 236 mm/year.

Este estudio describe el bombeo, la recarga de agua subterránea, y distribución de agua superficial a través de un modelo de balance hídrico para el área agrícola entre Salina y Patillas localizada sobre el aluvión al este del Acuífero Sur de Puerto Rico. Esta área está influenciada por los canales de riego Patillas-Guamaní del Distrito de Riego de Guayama que es una subdivisión de la Autoridad de Energía Eléctrica de Puerto Rico (PREPA por sus siglas en inglés). Se cree que la recarga por precipitación es tan dependiente a su distribución anual como lo es al total de precipitación anual. Se estimó que la percolación promedio de parte de la precipitación para los años 1980 al 1993 fue el 15 por ciento de la lluvia registrada mientras que del 1993 al 2010 fue el 11 por ciento. La precolación por riego disminuyó gradualmente desde principios de los 80s hasta mediados de los 2000s a medida que la eficiencia de riego iba aumentando gradualmente durante este periodo y el área regada disminuía. Basado en data de entrega de agua por PREPA y estimados de eficiencia de riego, se teoriza que en campos regados por inundación de surcos la recarga del acuífero proveniente de riego fué alrededor del 20 por ciento, donde otro 10 a 40 por ciento del agua que podría recargar el acuífero en campos regados es el resultado directo de la interacción entre la precipitación y el riego. De la misma forma, se teoriza que nada del agua importada para riego por goteo percola y que en campos regados por aspersión solo percola el 5% del agua importada, donde el resto de la percolación viene de la interacción con la precipitación. Para Guayama, Arroyo y Patillas, el orden general estimado en cuanto a la importancia de los insumos en la recarga del acuífero es la precipitación, los ríos y quebradas, canales, riego y reservas. En el área de Salinas fué la percolación de ríos y quebradas el insumo más importante, seguido por la precipitación, canales y riego. Los canales de riego son una fuente importante para la recarga del acuífero por su aportación continua y segura al agua subterránea. La recarga estimada proveniente de las dos reservas dentro del área de estudio es insignificante y se puede ignorar. El área de Salinas a Patillas experimentó una reducción en el bombeo de agua subterránea luego que la producción de caña de azúcar se detuviera, esto debido a la reducción en el requerimiento de agua para riego y en el área regada. La mayor reducción en bombeo de agua subterránea entre antes y después de finalizada la producción de caña de azúcar ocurrió en el área de Arroyo (49%) mientras que en Guayama ocurrió el menor cambio (11%). La reducción en bombeo de agua subterránea en Patillas y Guayama se estimó en 27 y 14 por ciento, respectivamente. En general, resultados del modelo muestran un acuífero saludable en el área de Arroyo, Patillas y Guayama en términos de recarga neta, donde la inmensa mayoría de los años contaron con recarga neta promedio mayores a los 180 mm/año. Resultados indican que en el área de Salinas la recarga neta del agua subterránea fue alrededor de 64 mm/año y que disminución en el agua subterránea al punto de posible intrusión salina ocurrió durante los años 1980, 1983, 1991, 1993, 1994, 1995, 1997, 2000, 2001, 2002, y 2009 debido al alto bombeo para uso publico y para practicas de riego. Dos escenarios fueron estudiados como posibles estrategias para el manejo del agua subterránea en el área de Salinas, esto envolviendo los canales de riego y asumiendo que su desarrollo es factible: 1) incrementar los importes de agua para riego por parte de los canales de riego y disminuir o eliminar las extracciones de agua subterránea para practicas de riego, 2) crear charcas de infiltración localizadas en lugares estratégicos que usen agua colectada de escorrentía, agua tratada y el excedente de agua de los canales de riego como fuente de recarga artificial al acuífero.