Recharge seasonality based on stable isotopes: Nongrowing season bias altered by irrigation in Nebraska

Cherry, Mikaela; Gilmore, Troy E.; Mittelstet, Aaron R.; Gastmans, Didier; Santos, Vanessa Cruz; Gates, John B.

doi:10.1002/hyp.13683

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“…47 Preferential cold-season groundwater recharge has also been demonstrated for unirrigated systems in the Nebraskan agricultural plains. 48 Preferential cold-season groundwater recharge in this study was supported by the tile water isotopic composition, which reflected the 2014−2018weighted average precipitation and seasonal-weighted average precipitation (Figures 3 and 4). Water travel time to the tile drain (∼75 cm) was shorter than travel times to groundwater, which is why the average tile water δ 18 O and δ 2 H values were similar to the 2014−2018 weighted average precipitation and 2018 weighted average growing season precipitation values.…”

Section: Discussionsupporting

confidence: 54%

Hydrological Separation of Event and Pre-event Soil Water in a Cultivated Landscape

Smith

Moore

Anderson

et al. 2021

ACS Agric. Sci. Technol.

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Soil water mixing is a complex process that is dependent on vegetation, soil physiochemical characteristics, and climate. In this research, we utilize natural tracers, δ 18 O and δ 2 H, to determine if hydrological separation of recent precipitation event and pre-event water occurred within the soil profile of a maize field in central Ohio. Soil samples were collected at three sites and four depths, and the soil water was extracted via cryogenic distillation. Soil water isotopic composition showed mixing of precipitation event and pre-event water that reflected weighted average precipitation isotopic composition. The range in isotopic signatures also indicated that hydrological mixing within the soil profile was facilitated by soil physical characteristics and effective gravitational drainage of event water. These results support previous work that hydrological separation does not occur in soil water in temperate climates and contribute to ongoing research to conceptualize soil water cycling in monoculture systems.

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Section: Discussionsupporting

confidence: 54%

Hydrological Separation of Event and Pre-event Soil Water in a Cultivated Landscape

Smith

Moore

Anderson

et al. 2021

ACS Agric. Sci. Technol.

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“…Data from wells far from the canals indicated that shallow groundwater was more likely influenced by local irrigation practices (i.e., furrows in fields), while deeper groundwater was impacted by both localized irrigation and canal leakage (Böhlke et al, 2007). Shallow groundwater in the Dutch Flats area has stable isotope composition consistent with surface water sources (i.e., North Platte River; (Böhlke et al, 2007;Cherry et al, 2020)).…”

Section: Site Descriptionsmentioning

confidence: 98%

Determination of vadose and saturated-zone nitrate lag times using long-term groundwater monitoring data and statistical machine learning

Wells¹,

Gilmore²,

Nelson³

et al. 2020

Preprint

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Abstract. In this study, we explored the use of statistical machine learning and long-term groundwater nitrate monitoring data to estimate vadose-zone and saturated-zone lag times in an irrigated alluvial agricultural setting. Unlike most previous statistical machine learning studies that sought to predict groundwater nitrate concentrations within aquifers, the focus of this study was to leverage available groundwater nitrate concentrations and other environmental variable data to determine mean vertical velocities (transport rates) of water and solutes in the vadose zone and saturated zone (3.50 m/year and 3.75 m/year, respectively). Although a saturated-zone velocity that is greater than a vadose-zone velocity would be counterintuitive in most aquifer settings, the statistical machine learning results are consistent with two contrasting primary recharge processes in this aquifer: (1) diffuse recharge from irrigation and precipitation across the landscape, and (2) focused recharge from leaking irrigation conveyance canals. The vadose-zone mean velocity yielded a mean recharge rate (0.46 m/year) consistent with previous estimates from groundwater age-dating in shallow wells (0.38 m/year). The saturated zone mean velocity yielded a recharge rate (1.31 m/year) that was more consistent with focused recharge from leaky irrigation canals, as indicated by previous results of groundwater age-dating in intermediate-depth wells (1.22 m/year). Collectively, the statistical machine-learning model results are consistent with previous observations of relatively high-water fluxes and short transit times for water and nitrate in the aquifer. Partial dependence plots from the model indicate a sharp threshold where high groundwater nitrate concentrations are mostly associated with total travel times of seven years or less, possibly reflecting some combination of recent management practices and a tendency for nitrate concentrations to be higher in diffuse infiltration recharge than in canal leakage water. Limitations to the machine learning approach include potential non-uniqueness when comparing model performance for different transport rate combinations and highlight the need to corroborate statistical model results with a robust conceptual model and complementary information such as groundwater age.

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“…Inicialmente, é necessário calcular a média ponderada da composição isotópica da precipitação em uma determinada estação (Equação 2) e, posteriormente, a proporção entre as contribuições para as recargas em uma estação ou outra (Equação 3) (JASECHKO et al 2014, JASECHKO & TAYLOR 2015, JASECHKO et al 2017, SANCHÉZ-MURILLO et al 2017, CHERRY et al 2020):…”

Section: Isótopos Estáveis Nas áGuas Subterrâneasunclassified

Contribuição dos isótopos estáveis da água (H e O) no conhecimento dos aquíferos brasileiros: estado da arte e perspectivas futuras

Gastmans¹,

Garpelli²,

Santos³

et al. 2021

Derb.

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As águas subterrâneas abastecem cerca de 50% de todos os municípios brasileiros, e sua crescente utilização deve-se à conjunção de condições climáticas, com excedentes hídricos importantes que possibilitam a recarga dos aquíferos, e ao arcabouço hidrogeológico do território nacional, constituído por vários aquíferos (porosos, fraturados e cársticos), associados às províncias geológicas e estruturais do país. Em função da importância das águas subterrâneas, isótopos estáveis de H e O vêm sendo empregados de maneira regular em estudos hidrogeológicos no Brasil desde a década de 1970. Observa-se um incremento em sua utilização no início do século XXI, associado ao estabelecimento de inúmeros grupos de pesquisa em hidrogeologia e ao desenvolvimento de técnicas analíticas que possibilitaram uma otimização analítica. O presente trabalho apresenta uma revisão sobre a aplicação de isótopos estáveis de H e O em estudos hidrogeológicos nos aquíferos brasileiros a partir de uma leitura crítica da bibliografia disponível, e divide-se em cinco capítulos. Inicialmente são apresentadas as bases teóricas para a aplicação de isótopos estáveis de H e O em estudos hidrológicos, seguida por uma revisão do conhecimento a respeito da composição isotópica da precipitação no país e seus controles, e do estado da arte da aplicação de isótopos estáveis no conhecimento hidrogeológico nacional. Finalmente são traçadas as lições aprendidas e apresentadas algumas oportunidades que se descortinam para as aplicações isotópicas em futuros estudos hidrogeológicos. Essa revisão permitiu a constatação de uma boa cobertura de dados isotópicos da precipitação, dados suficientes para estudos regionais, mas que apresentam uma defasagem temporal, pois a paralisação das observações nos anos 1980 prejudicou o monitoramento dos dados climáticos. De maneira geral observa-se que as maiores variações na composição isotópica são encontradas nos aquíferos de grande extensão e com porções confinadas, como os aquíferos da Bacia do Paraná e da Bacia Amazônica, refletindo condições de recarga pretéritas, estendendo-se por grandes períodos de tempo, entretanto a relação com aspectos climáticos e de posicionamento geográfico também acabam se refletindo na composição isotópica das águas subterrâneas. Apesar do número crescente de estudos que utilizam isótopos estáveis de H e O, especialmente nos aquíferos sedimentares mais importantes, existem desafios vislumbrados, que oferecem inúmeras novas possibilidades científicas. Observou-se que não existe, dentre os trabalhos analisados, uma visão holística acerca da movimentação da água no ciclo hidrológico, partindo da compreensão da associação existente entre os fenômenos climáticos de larga escala e a recarga das águas subterrâneas. O mesmo vale para a sua aplicação conjunta com outros traçadores isotópicos (gases nobres e isótopos radioativos, por exemplo), com reconhecido potencial para fornecer estimativas de tempos de trânsito e misturas de águas, além de estudos voltados à compreensão das interações entre águas subterrâneas e superficiais.

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Recharge seasonality based on stable isotopes: Nongrowing season bias altered by irrigation in Nebraska

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Hydrological Separation of Event and Pre-event Soil Water in a Cultivated Landscape

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Determination of vadose and saturated-zone nitrate lag times using long-term groundwater monitoring data and statistical machine learning

Contribuição dos isótopos estáveis da água (H e O) no conhecimento dos aquíferos brasileiros: estado da arte e perspectivas futuras

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