Hydrogeological characterization and assessment of anthropic impacts in the Lower Piura Sub-basin Aquifer in Peru

Abstract

The Lower Piura Sub-basin Aquifer is a vital source of water in the north of Peru. Despite its importance, few local studies describe this formation. Most are limited to reporting hydraulic characteristics and abstraction rates, lacking a broader analysis. This article characterizes the aquifer, presenting the development of a conceptual and mathematical model with sparse data, completed using several assumptions and interpolations. The model will improve understanding of the aquifer system and the impacts of abstraction. The aquifer system includes an unconfined aquifer connected to a confined aquifer through an aquitard. Steady-state and transient-state models from 2004 to 2014 were used. The development and calibration of the model have led to proper identification of hydraulic parameters and boundary conditions, clarifying the dynamics of the system. In the unconfined aquifer, groundwater flows towards the south-west without significant variation in the water table. Conversely, the piezometric surface of the confined aquifer shows a cone of depression with a falling trend of 1.6 m/year between 2004 and 2014. Outflows include abstractions (48.42 × 10⁶ m³/year), gaining surface waters (6.33 × 10⁶ m³/year), and sea discharge (18.50 × 10⁶ m³/year). Inflows are from irrigation return (34.67 × 10⁶ m³/year) and from the Higher Piura Aquifer (27.23 × 10⁶ m³/year). The imbalance of 11.24 × 10⁶ m³/year is abstracted from aquifer storage leading to hydraulic head drops and flow changes, revealing a clearly unsustainable overexploitation scenario that impacts more intensively the confined aquifer. Model results provide the basis to understand how this is happening and help to suggest strategies to alleviate the current aquifer situation.

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L’aquifère du sous-bassin de la Piura inférieure est une ressource en eau vitale dans le Nord du Pérou. Malgré son importance, peu d’études locales décrivent cette formation. La plupart se limitent à la définition des caractéristiques hydrauliques et des taux d’exploitation, sans analyse plus large. Cet article caractérise l’aquifère en présentant le développement d’un modèle conceptuel et mathématique, avec des données clairsemées, complété par plusieurs hypothèses et interpolations. Le modèle améliorera la compréhension du système aquifère et des impacts de l’exploitation. Le système aquifère comprend un aquifère libre relié à un aquifère captif au travers d’une couche semi-perméable. Un modèle en régime permanent et un modèle en régime transitoire ont été utilisés pour la période 2004–2014.Le développement et la calibration du modèle ont permis d’identifier correctement les paramètres hydrauliques et les conditions aux limites, en clarifiant la dynamique du système. Dans l’aquifère libre, les eaux souterraines s’écoulent vers le sud-ouest sans changement significatif du niveau de la nappe. À l’inverse, la surface piézométrique de l’aquifère captif présente un cône de dépression avec une tendance à la baisse de 1,6 m/an entre 2004 et 2014. Les débits sortants comprennent les prélèvements en nappe (48.42 × 10⁶ m³/an), le déversement dans les eaux de surface (6.33 × 10⁶ m³/an) et la décharge dans la mer (18.50 × 10⁶ m³/an). Les entrées proviennent du retour par irrigation (34.67 × 10⁶ m³/an) et de l’aquifère de la Piura supérieure (27.23 × 10⁶ m³/an). Le déficit de 11.24 × 10⁶ m³/an est soustrait à l’emmagasinement de l’aquifère, ce qui entraîne des diminutions de charge hydraulique et des modifications de débit et révèle un scénario de surexploitation nettement insoutenable, qui affecte plus intensément l’aquifère captif. Les résultats du modèle fournissent une base pour comprendre comment cela se produit et suggérèrent des stratégies pour soulager la situation actuelle des aquifères.

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El acuífero de la subcuenca del Bajo Piura es una fuente de agua vital en el norte del Perú. A pesar de su importancia, pocos estudios locales describen esta formación. La mayoría se limitan a reportar características hidráulicas y tasas de explotación, faltando un análisis más amplio. En artículo se presenta la caracterización del acuífero basada en el desarrollo de un modelo conceptual y matemático, basado en la escasa información disponible, que se completa mediante diversas asunciones e interpolaciones de los datos disponibles. Se mejora así la comprensión del sistema acuífero y de los impactos de su explotación. El sistema acuífero está compuesto por un acuífero libre conectado a un acuífero confinado a través de un acuitardo. Se ha considerado su modelación en estado estacionario, y en estado transitorio para el periodo 2004–2014. El desarrollo y la calibración del modelo ha conducido a la identificación de los parámetros hidráulicos y condiciones de contorno, clarificando la dinámica general del sistema. En el acuífero libre, el agua subterránea fluye hacia el suroeste sin alteraciones significativas en el nivel freático. Por el contrario, la superficie piezométrica del acuífero confinado muestra un cono de depresión con una tendencia descendente de 1.6 m/año entre 2004 y 2014. Los flujos de salida incluyen las extracciones (48.42 × 10⁶ m³/año), los drenajes a masas de agua superficial (6.33 × 10⁶ m³/año), y la descarga al mar (18.50 × 10⁶ m³/año). Las entradas provienen de retornos de riego (34.67 × 10⁶ m³/año) y del acuífero del Alto Piura (27.23 × 10⁶ m³/año). La diferencia de 11.24 × 10⁶ m³/año es compensada mediante la disminución de las reservas del acuífero, lo que lleva a caídas de los niveles piezométricos y cambios en los patrones de flujo, revelando claramente un escenario de sobreexplotación insostenible que impacta más intensamente en el acuífero confinado. Los resultados del modelo proporcionan las bases para comprender la dinámica del sistema, y proporcionan ayuda para plantear estrategias que alivien el estado actual del acuífero.

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摘要

Piura下游子流域含水层是秘鲁北部重要的水源。尽管它很重要, 但当地很少有描述其形成的研究。大多数仅限于报导水力特性和开采量, 缺乏更广泛的分析。本文描述了含水层特征, 展示了利用离散数据、几个假定和数据插值来完成概念和数学模型的建立。该模型将提高对含水层系统和开采影响的理解。含水层系统包括一个通过隔水层连接到承压含水层的潜水含水层。利用了2004至2014年的稳定和非稳定流模型。经过模型的开发和校准, 识别了合理的水力参数和边界条件, 从而阐明了系统的动态过程。在潜水含水层中, 地下水向西南方向流动, 并且地下水位没有显着变化。相反, 承压含水层的压力面显示出漏斗形状, 2004至2014年间的水头下降幅度为1.6 m /年。排泄项包括开采(18.50 × 10⁶ m³ /年), 地表水排泄量(6.33 × 10⁶ m³ /年))和海水排泄量(18.50 × 10⁶ m³ /年)。补给项包括灌溉回归入渗量(34.67 × 10⁶ m³/ /年)和Piura上游含水层补给(27.23 × 10⁶ m³ /年)。地下水不平衡量为11.24 × 10⁶ m³ /年, 它来自于抽取含水层储存量, 这导致了水头下降和流量变化, 表明了明显不可持续的集中于承压含水层的过度开采情景。模型结果为理解含水层形成提供了基础, 并有助于提出缓解当前含水层形势的措施。

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O Aquífero da Sub-bacia da Baixa Piura é uma fonte vital de água no norte do Peru. Apesar de sua importância, poucos estudos locais descrevem essa formação. A maioria está limitada a reportar características hidráulicas e taxas de abstração, faltando uma análise mais ampla. Este artigo caracteriza o aquífero, apresentando o desenvolvimento de um modelo conceitual e matemático com dados esparsos, complementado com diversas hipóteses e interpolações. O modelo melhorará a compreensão do sistema aquífero e os impactos da abstração. O sistema aquífero inclui um aquífero não confinado ligado a um aquífero confinado através de um aquitardo. Modelos de estado estacionário e estado transiente de 2004 a 2014 foram utilizados. O desenvolvimento e a calibração do modelo levaram à identificação adequada de parâmetros hidráulicos e condições de contorno, esclarecendo a dinâmica do sistema. No aquífero não confinado, as águas subterrâneas fluem em direção ao sudoeste sem variação significativa no lençol freático. Por outro lado, a superfície piezométrica do aquífero confinado mostra um cone de depressão com uma tendência de queda de 1.6 m/ano entre 2004 e 2014. As saídas incluem captações (48.42 × 10⁶ m³/ano), ganhando águas superficiais (6.33 × 10⁶ m³/ano) e descarga marítima (18.50 × 10⁶ m³/ano). Os influxos são provenientes do retorno da irrigação (34,67 × 106 m3/ano) e do Aqüífero Superior da Piura (27.23 × 10⁶ m³/ano). O desequilíbrio de 11.24 × 10⁶ m³/ano é abstraído do armazenamento de aquíferos, levando a quedas na carga hidráulica e mudanças de fluxo, revelando um cenário claramente insustentável de superexploração que impacta mais intensamente o aquífero confinado. Os resultados do modelo fornecem a base para entender como isso está acontecendo e ajudam a sugerir estratégias para aliviar a situação atual do aquífero.