PRZ index for identifying potential areas of recharge in alluvial aquifers and for land use planning
Article Sidebar
Main Article Content
An index to identify potential recharge zones (PRZs) in alluvial aquifers was developed to protect these zones during land use planning. The PRZ index was designed as an additive index through the selection of five characterization indicators. The variables were then operationalized and categorized to generate a conceptual model of the physical-geological system. The PRZ index places recharge zones into four classes according to their potential. This index was applied to the Bolo River hydrogeological area (Valle del Cauca, Colombia), and the following proportions were identified for each PRZ category with a total area greater than 426 km2: very high: 23%, high: 30%; moderate: 40% and low: 7%. The areas with a very high recharge potential were found in the upper portion of the debris cones; their potential was predominantly due to the presence of sand and gravel unconfined aquifers and to aquifer outcrop layers at depths of less than 2.5 m. These PRZs were validated with piezometry, and the hydraulic gradient for 71% of the area was greater than 1%. These areas should be declared protected areas.
María F. Jaramillo-Llorente, Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Instituto de Investigación y Desarrollo en Abastecimiento de Agua, Saneamiento Ambiental y Conservación del Recurso Hídrico (CINARA), Cali, Colombia
https://orcid.org/0000-0002-3119-3525
Ruber Rengifo, Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Instituto de Investigación y Desarrollo en Abastecimiento de Agua, Saneamiento Ambiental y Conservación del Recurso Hídrico (CINARA), Cali, Colombia
https://orcid.org/0000-0001-7869-0089
Inés Retrepo, Universidad del Valle, Facultad de Ingeniería, Instituto de Investigación y Desarrollo en Abastecimiento de Agua, Saneamiento Ambiental y Conservación del Recurso Hídrico (CINARA), Cali, Colombia
https://orcid.org/0000-0003-4705-2062
(1) UNESCO. Informe de las Naciones Unidas sobre los recursos hídricos en el mundo. Italia: WWAP ed.; 2015. p. pp. 12.
(2) Arévalo L, Rivera J. Definición de zonas de recarga y descarga de agua subterránea a partir de indicadores superficiales: centro-sur de la Mesa Central, México. Investigaciones Geográficas, Boletín del Instituto de Geografía. 2013; (81):18-32.
(3) Hendrickx JM. Groundwater Recharge. A Guide to Understanding and Estimating Natural Recharge. Journal of Environmental Quality. 1992;21(3):512-512. https://doi.org/10.2134/jeq1992.00472425002100030036x.
(4) Kresic N. Groundwater resources: Sustainability, management, and restoration. United States: McGraw Hill Professional Ed; 2008.
(5) Matus Ó, Faustino J, Jiménez Otárola F. Metodología para la identificación participativa de zonas con potencial de recarga hídrica en subcuencas hidrográficas. Validación en la subcuenca del río Jucuapa, Nicaragua. Recursos naturales y Ambiente. 2008;55:74-82. Available from: http://hdl.handle.net/11554/6573.
(6) CVC. Plan de manejo para la protección de las aguas subterráneas en el departamento del Valle del Cauca. Cali, Colombia; 2000.
(7) Foster S, Garduño H, Karin Kemper, Tuinhof A, Nanni M, Dumars C. Protección de la calidad del agua subterránea. Definición, estrategias y establecimiento de prioridades. GW Mate briefing note series; no. 8 Washington, D.C.: World Bank Group; 2003. http://documents.worldbank.org/curated/en/804581468313863477/Proteccion-de-la-calidad-del-agua-subterranea-definicion-de-estrategias-y-establecimiento-de-prioridades.
(8) Freeze R, Cherry J. Groundwater. New Jersey: Prentice-Hall; 1979.
(9) Vélez MV. Hidráulica de aguas subterráneas. Medellín, Colombia: Facultad de Minas, Universidad Nacional de Colombia; 1992.
(10) Chowdhury A, Jha MK, Chowdary V. Delineation of groundwater recharge zones and identification of artificial recharge sites in West Medinipur district, West Bengal, using RS, GIS and MCDM techniques. Environmental Earth Sciences. 2010;59(6):1209-22. https://doi.org/10.1007/s12665-009-0110-9.
(11) World Bank. Protección de la calidad del agua subterránea. Guía para empresas de agua, autoridades municipales y agencias ambientales. 2nd ed. Washington: World Bank; 2007.
(12) Kumar M, Rao MS, Kumar B, Ramanathan A. Identification of aquifer-recharge zones and sources in an urban development area (Delhi, India), by correlating isotopic tracers with hydrological features. Hydrogeology journal. 2011;(19):463-74. https://doi.org/10.1007/s10040-010-0692-z.
(13) Rodríguez L. Revisión y análisis de los factores que influyen en la recarga natural del acuífero del Valle de Aguascalientes mediante sistemas de información geográfica (SIG) [Master’s Thesis]. México: Universidad Autónoma de Aguas Calientes; 2016. Available from: http://hdl.handle.net/11317/620.
(14) Palacio B, Andrea P, Betancur V. Identificación de fuentes y zonas de recarga a un sistema acuifero apartir de isótopos estables del agua. Caso de estudio: bajo cauca antioqueño. Gestión y Ambiente. 2007;10(1):167-82. Available from: https://revistas.unal.edu.co/index.php/gestion/article/view/1388
(15) CVC. Acuerdo 042 de 2010. Protección de las aguas subterráneas del Valle del Cauca. In: Grupo de Recursos Hídricos, editor. Cali, Colombia; 2010.
(16) CVC, DELTARES, IHE. Evaluación de las aguas subterráneas en condiciones climáticas extremas – ESCASEZ. Grupo de Recursos Hídricos de la CVC. Cali, Colombia; 2015.
(17) CVC. Bases de datos. Gestión del recurso hídrico subterráneo. Grupo de Recursos Hídricos. Cali, Colombia; 2018.
(18) Ingeominas, CVC. Hidrogeología del Valle del río Cauca entre Santander de Quilichao y el río Sonso. Cali, Colombia; 1971.
(19) CVC. Codificación de corrientes en las cuencas que drenan al Río Cauca y hacia el océano Pacífico, en el área de jurisdicción de la CVC, de acuerdo con los límites definidos con fines de ordenación. Cali, Colombia: Grupo de Recursos Hídricos; 2007.
(20) IGAC. Instructivo códigos para levantamiento de suelos. Bogotá, Colombia; 2014.
(21) Gómez A. Caracterización hidráulica del acuífero de la zona plana del Valle del Cauca [Master’s Thesis]. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia; 2012. Available from: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/60113.
(22) Cazau P. Categorización y operacionalización de variables. Apuntes sobre metodología de la investigación. México: Universidad Pedagógica de Durango; 2004.
(23) Villavicencio-Caparó E, Torrachi-Carrasco E, Pariona-Minaya MC, Alvear-Córdova MC. ¿Cómo plantear las variables de una investigación? Operacionalización de las variables. Revista OACTIVA UC Cuenca. 2019;4(1):9-14. https://doi.org/10.31984/oactiva.v4i1.289.
(24) Reguant M, Martínez F. Operacionalización de conceptos/variables. Barcelona: Repositorio digital de la Universidad de Barcelona; 2014. Available from: https://n9.cl/clp0
(25) Gómez G, Grinszpun M. Capitulo 5: El uso de los índices y las tipologías en la construcción de indicadores complejos. In: Teseopress, editor. Argentina: Metodología de la investigación; 2010.
(26) Hutchinson MF. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits. Journal of hydrology. 1989;106(3-4):211-32. https://doi.org/10.1016/0022-1694(89)90073-5.
(27) Rebollo LF, Martín-Loeches M. Diez preguntas elementales sobre aguas subterráneas. Enseñanza de las Ciencias de la Tierra. 2007;15(3):240-9. Available from: https://raco.cat/index.php/ECT/article/view/121181/167582
(28) IDEAM. Estudio nacional del agua 2018. Bogotá: Colombia; 2019. p. 452.
(29) Sánchez FJ. Hidrología superficial y subterránea. España: Universidad de Salamanca; 2017. 285 p. Available from: https://hidrologia.usal.es/Libro.htm
(30) Burns E. Repensar la cuenca: la gestión de ciclos del agua en el Valle de México. México: Universidad Autónoma Metropolitana y Centro para la Sustentabilidad Incalli Ixcahuicopa ed; 2009.
(31) Vélez MV, Ortiz C, Vargas MC. Las aguas subterráneas: Un enfoque práctico. Bogotá, Colombia: Ingeominas, Universidad Nacional de Colombia; 2011.
(32) Todd DK, Mays LW. Groundwater Hydrology. 3rd ed. Willey International Ed; 2005.
(33) Custodio E, Llamas R. Hidrología subterránea. 2da ed. Barcelona, España: Omega; 1996.
(34) Rushton K, Rathod K. Causes of non-linear step pumping test responses. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 1988;21(2):147-58. https://doi.org/10.1144/GSL.QJEG.1988.021.02.04.
(35) Oikonomidis D, Dimogianni S, Kazakis N, Voudouris K. A GIS/remote sensing-based methodology for groundwater potentiality assessment in Tirnavos area, Greece. Journal of Hydrology. 2015;525:197-208. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.056.
(36) Guzmán A, Díaz A. Identificación de las área de recarga acuífera y zonas de protección de los manantiales del canton central de Cartago. En: lX Congreso Nacional de Ciencias Exploraciones fuera y dentro del aula Cartago. Cartago, Costa Rica: Instituto Tecnológico de Costa Rica; 2007.
(37) Castro-Brenes J, Martinez S, Leal-Tijerino S, Aguirre J. Plan de manejo y conservación de zonas con potencial de recarga hídrica, micro cuenca El Espinal, Pueblo Nuevo. Managua, Nicaragua: Universidad Nacional Agraria; 2011.
(38) García M. Determinación de las zonas potenciales de recarga hídrica en las subcuencas de los ríos Tacó y Shusho, Municipio de Chiquimula, Departamento de Chiquimula [Bachelor’s Thesis]. Guatemala: Universidad de San Carlos; 2010. Available from: http://www.repositorio.usac.edu.gt/2933/1/19%20A%20T-1362-690.pdf
(39) Martínez S, Sastre A (ed). Estudios en la Zona No Saturada En: Vol.XII trabajos presentados en las XII Jornadas de investigación en la Zona No Saturada del Suelo, Alcalá de Henares. España: Universidad de Alcalá; 2015.
(40) del Río J, Navarro J. Aproximación al conocimiento de la infiltración a través del análisis dimensional. Ecología. 2006(20):471-92.
(41) Manso JM, Hevia JN. Infiltración y grupos hidrológicos de suelos en las laderas de los páramos (Valladolid). Cuadernos de investigación geográfica. 2012(38):131-53. https://doi.org/10.18172/cig.1279.
(42) Horton RE. An approach toward a physical interpretation of infiltration-capacity. Soil science society of America journal. 1941;5(C):399-417. https://doi.org/10.2136/sssaj1941.036159950005000C0075x.
(43) Parr JF, Bertrand AR. Water infiltration into soils. En: Advances in Agronomy. Elsevier; 1960. p. 311-63.
(44) Gisbert JM, Ibañez S, Moreno H. La textura del suelo. España: Universidad Politécnica de Cataluña; 2010. Available from: http://hdl.handle.net/10251/7775.
(45) da Costa AM, de Salis HHC, Viana JHM, Leal Pacheco FA. Groundwater Recharge Potential for Sustainable Water Use in Urban Areas of the Jequitiba River Basin, Brazil. Sustainability. 2019;11(10):2955. https://doi.org/10.3390/su11102955.
(46) Llamas MR, Fornes JM, Hernandez-Mora N, Cortina LM, Azcoiti JMF. Aguas subterráneas: Retos y oportunidades. Madrid: Mundi-Prensa; p. 529.
(47) Braun GM, Levine NS, Roberts SJ, Samel AN. A geographic information systems methodology for the identification of groundwater recharge areas in Waukesha County, Wisconsin. Environmental & Engineering Geoscience. 2003;9(3):267-78. https://doi.org/10.2113/9.3.267.
(48) Vasconcelos VV, Martins Junior P, Hadad RM. Methodology for rapid assessment of aquifer recharge areas. Geologia USP Série científica. 2013;13(2):69-96. https://doi.org/10.5327/Z1519-874X2013000200005.
(49) Feitosa F, Filho J, Feitosa E, Demetrio G. Geoprocessamento em Ambiente SIG Aplicado á Hidrogeologia. In: Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 3rd ed. Rio de Janeiro, Brasil: CPRM, LABHID; 2008. p. 293-322.
(50) Wickel BAJ. Procesos eco‐hidrológicos y servicios ambientales. In: Curso Centroamericano de Servicios Hidrologicos. Guatemala: World Wildlife Fund (WWF), Conservation Science Program; 2009.
(51) Moreti, D., Carvalho, M., Mannigel, A., y Medeiros, L. Importantes características de chuva para a conservação do solo e da água no município de São Manuel (SP). Revista Brasileira de Ciência do Solo. 2003; 27: 713-725. https://doi.org/10.1590/S0100-06832003000400016
(52) USDA, SCS. Section 4: Hydrology. In: National engineering handbook. Washington: USDA; 1972.
(53) Tucci C. Hidrologia: ciência e aplicação. 4th ed. Porto Alegre, Brasil: UFRGS ed; 2009.
(54) Ottoni Filho T. Uma classificação físico-hídrica dos solos. Revista Brasileira de Ciência do Solo. 2003;27(2):211-22. https://doi.org/10.1590/S0100-06832003000200001.
(55) Gomes MAF, Spadotto CA, Pessoa MC. Avaliação da vulnerabilidade natural do solo em áreas agrícolas: subsídio à avaliação do risco de contaminação do lençol freático por agroquímicos. Pesticidas: revista de ecotoxicologia e meio ambiente. 2002;12:169-179. http://dx.doi.org/10.5380/pes.v12i0.3158.
(56) Aller L, Kerr RS. DRASTIC: a standardized system for evaluating ground water pollution potential using hydrogeologic settings. Kerr RS (ed). Worthington, Ohio: EPA; 1985.
(57) Rawls WJ, Brakensiek DL, Saxtonn K. Estimation of soil water properties. Transactions of the ASAE. 1982;25(5):1316-20. https://doi.org/10.13031/2013.33720.
(58) Hearne GA, Wireman M, Campbell AS, Turner S, Ingersoll GP. Vulnerability of the uppermost groundwater to contamination in the Greater Denver area, Colorado. Denver, Colorado: US Department of the Interior, US Geological Survey ed; 1995. https://doi.org/10.3133/wri924143.
(59) Berg RC, Kempton JP, Cartwright K. Potential for contamination of shallow aquifers in Illinois. Illinois: Illinois State Geological Survey, Prairie Research Institute; 1984.
(60) Moore J. SEEPAGE: a system for early evaluation of the pollution potential of agricultural ground water environments. Geology Technical Note 5. Chester, Pennsylvania: U.S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service, Northeast National Technical Center; 1990.
(61) Cates KJ, Madison FW. Soil survey of Pepin County, Wisconsin. Wisconsin: USDA, NRCS; 1990.
(62) Lemme G, Carlson C, Khakural B, Knutson L, Zavesky L. Aquifer contamination vulnerability maps: a water resource protection planning tool. Lake Poinsett Pilot Project Plant Science Department, South Dakota State University, USDA – Soil Conservation Service, Plant Science Department Pamphlet 18; 1989.
(63) Blanchard PJ. Assessments of aquifer sensitivity on Navajo Nation and adjacent lands and ground water vulnerability to pesticide contamination on the Navajo Indian Irrigation Project, Arizona, New Mexico and Utah. Albuquerque, New Mexico: SGS; 2002. https://doi.org/10.3133/wri024051.
(64) US EPA. Guidelines for Groundwater Classification under The EPA Groundwater Protection Strategy (draft). Washington: EPA; 1988.
(65) Evans BM, Myers WL. A GIS-based approach to evaluating regional groundwater pollution potential with DRASTIC. Journal of Soil and Water Conservation. 1990;45(2):242-5.
(66) Farquharson F, Mackney D, Newson M, Thomasson A. Estimation of run-off potential of river catchments from soil surveys. Special Survey. UK: Technical Monograph No.11 UK Soil Survey ed; 1978.
(67) Boorman D, Hollis JM, Lilly A. Hydrology of soil types: a hydrologically-based classification of the soils of United Kingdom. UK: Institute of Hydrology; 1995.
(68) D'Andréa, A., Silva, M., Curi, N., y Ferreira, M. Atributos de agregação indicadores da qualidade do solo em sistemas de manejo na região dos cerrados no sul do Estado de Goiás. Revista Brasileira de Ciência do Solo. 2002; 26 (4): 1047-1054. https://doi.org/10.1590/S0100-06832002000400022.
(69) Bruijnzeel LA. Hydrological functions of tropical forests: not seeing the soil for the trees? Agriculture, ecosystems & environment. 2004;104(1):185-228. https://doi.org/10.1016/j.agee.2004.01.015.
(70) Brassington R. Field hydrogeology. Warrington, UK: John Wiley & Sons Ltd; 2017.
(71) Chapman MJ, Schlegel M, Huffman BA, McSwain KB. Hydraulic gradients in recharge and discharge areas and apparent groundwater age date from the characterization of multiple regolith-fractured bedrock groundwater reserch stations in Norrth Carolina. In: Proceedings of the 2007 Georgia Water Resources Conference. Athens, Georgia: The University of Georgia; 2007. Available from: http://hdl.handle.net/1853/48252.
(72) Feitosa F, Filho J, Feitosa E, Demetrio G. Importância da Água Subterrânea. In: Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 3rd ed. Rio de Janeiro, Brasil: CPRM, LABHID; 2008. p. 13-27.
(73) Feitosa F, Filho J, Feitosa E, Demetrio G. A água subterrânea no Brasil. In: Hidrogeologia: conceitos e aplicações. 3rd ed. Rio de Janeiro, Brasil: CPRM, LABHID; 2008. p. 31–47.
(74) US EPA. Ground Water Resource Assessment. Washington: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Groundwater and Drinking Water; 1993.
(75) Dalh M, Hinsby K. GSI typology–Typology of Groundwater/Surface interaction. In: Unesco, editor. EU Groundwater Policy Developments Conference; Paris, France: 2008. p. 146-156.
(76) CETESB. Drenagem Urbana–Manual de Projeto. São Paulo, Brasil: CETESB/ASCETESB; 1986. p. 468.
(77) Azooz R, Arshad M. Soil infiltration and hydraulic conductivity under long-term no-tillage and conventional tillage systems. Canadian journal of soil science. 1996;76(2):143-52. https://doi.org/10.4141/cjss96-021.
(78) Mogaji K, Omosuyi G, Adelusi A, Lim H. Application of GIS-based evidential belief function model to regional groundwater recharge potential zones mapping in hardrock geologic terrain. Environmental Processes. 2016;3:93-123. https://doi.org/10.1007/s40710-016-0126-6.
(79) DeLuca TH, Johnson P. RAVE, Relative Aquifer Vulnerability Evaluation. In: An On-farm Scoring System to Evaluate Aquifer Vulnerability to Pesticide Contamination: Technical Bulletin 90-01. Montana Department of Agriculture, Environmental Management Division; 1990.
(80) CORANTIOQUIA. Estudio de zonas de recarga y acuíferos del Valle de Aburra. Medellín, Colombia: Centro de Investigaciones Ambientales y de Ingeniería (CIA), Grupo de Ingeniería y Gestión Ambiental; 2002.
(81) López-Geta JA, Fornés-Ascoiti JM, Ramos-Gonzalez G, Villarroya-Gil F. Las aguas subterráneas, un recurso natural del subsuelo. Madrid: Instituto Minero y Geológico de España, Fundación Marcelino Botín; 2009.
(82) Kistinger GM, Prieur JP, Rowley PD, Dixon, GL. Characterization of streams and springs in the Snake Valley area, Utah and Nevada. Geology and Geologic Resources and Issues of Western Utah. 2009(38):299-324.
(83) Fetter C. Applied Hydrogeology. 4th ed. New Jersey: Prentice Hall; 2001. 615 p.
(84) Karamouz M, Ahmadi A, Akhbari M. Groundwater hydrology - Engineering, planning and management. 2nd ed. Boca Ratón: CRC Press Taylor & Francis Group; 2020. 778 p.
(85) Rushton K. Numerical and conceptual models for recharge estimation in arid and semi-arid zones. In: Simmers I, eds. Estimation of natural groundwater recharge: Springer; 1988. p. 223-38.
(86) Vargas O. Zonas hidrogeológicas homogéneas de Colombia. Boletín Geológico y Minero. 2005;117(1):47-61.
Accepted 2021-07-01
Published 2022-01-15
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Authors grant the journal and Universidad del Valle the economic rights over accepted manuscripts, but may make any reuse they deem appropriate for professional, educational, academic or scientific reasons, in accordance with the terms of the license granted by the journal to all its articles.
Articles will be published under the Creative Commons 4.0 BY-NC-SA licence (Attribution-NonCommercial-ShareAlike).