Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6657
Main Title: Water resources management in the Atacama Desert
Subtitle: pivotal insights into arid Andean groundwater systems of northern Chile
Translated Title: Wasserressourcenmanagement in der Atacama-Wüste
Translated Subtitle: neue Erkenntnisse zu ariden, andinen Grundwassersystemen in Nordchile
Author(s): Scheihing, Konstantin W.
Advisor(s): Tröger, Uwe
Referee(s): Tröger, Uwe
Wohnlich, Stefan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Different stakeholders depend on the depleting groundwater resources in the Atacama Desert of northern Chile. Endeavors in water resources management encounter the arduous task of balancing the often-opposing poles of societal, economic, political and environmental interests. Finding – at best – sustainable solutions to modern challenges is aggravated by a lack of understanding of hydrological processes in the arid Andean environment. The presented dissertation aims to shed light on several long-lived questions concerning hydrogeological uncertainties in the Tarapacá Region. Accordingly, it challenges established concepts and describes so far unconsidered hydrological mechanisms that hold relevance for the Atacama Desert. A statistical assessment of long-term monitoring data in the arid Andean Laguna Lagunillas basin – where groundwater is being overexploited since the early-1990s – reveals that shallow groundwater can have a substantial regulating function on the associated local climate. These unknown groundwater-climate feedbacks hold strong importance for managing future and existing water production sites in the high, arid Andes. Furthermore, the often-discussed existence of an inter-basin groundwater flow from the Andean Altiplano to the Pampa del Tamarugal (PdT) – through deep basement fractures – was investigated. For the most prominent geological complex, where such an inter-basin flow could occur (Salar del Huasco basin-Pica Oasis), a hydrological time series analysis, as well as reflection seismic data and geothermal investigations, demonstrate, that the concept cannot be proven true. In this context, it is shown, that pressure signals induced by recharge in the Andean Precordillera can propagate rapidly over tens of kilometers with a constant lag down to the Andean foothills. Finally, a reassessment of a sizeable stable isotope dataset of meteoric water provides evidence that local topographic features of western Andean slope catchments, can control vapor mixing processes of easterly and westerly air masses with different isotope characteristics. This effect is reflected in basin-specific isotope value ranges in surface and groundwater and hence can be used to trace the regional groundwater flow regime and respective recharge areas. The primary recharge facilitated into the PdT-Aquifer infiltrates in the investigated cases very likely along the lower stream segments of intermittently discharging rivers, while the established idea of a significant alluvial fan recharge after flash-floods is challenged. The developed insights have implications for other, hydrologically-akin groundwater systems in the Atacama Desert and strengthen the basis for rational decision-making when managing respective water resources in the Tarapacá region.
Verschiedene Akteure sind von den zurückgehenden Grundwasserressourcen in der Atacama Wüste Nordchiles abhängig. Derzeitige Bestrebungen im Bereich des Wasserressourcenmanagements treffen auf die schwierige Aufgabe, die oft gegensätzlichen gesellschaftlichen, ökonomischen, politischen und ökologischen Interessen zu einen. Das Finden von - im besten Falle - nachhaltigen Lösungen ist oft erschwert durch die Unkenntnis über hydrologische Prozesse in den ariden Anden. Das Ziel der vorliegenden Dissertation war es, neue Einsichten zu langjährigen, offenen hydrogeologischen Fragestellungen in der Tarapacá Region zu erarbeiten. Dabei wurden gefestigte Erklärungsmodelle hinterfragt und bisher vollkommen unbeachtete hydrologische Funktionsweisen aufgezeigt, die in der Atacama Wüste von Bedeutung sind. Die statistische Analyse von Langzeit-Monitoringdaten des ariden Laguna Lagunillas Einzugsgebietes, wo sich der Grundwasserspiegel durch Übernutzung seit den Neunzigern mehrere Meter abgesenkt hat, zeigt auf, dass oberflächennahes Grundwasser eine stark regulierende Funktion auf das betroffene lokale Klima haben kann. Diese bis dato unbekannten Grundwasser-Klima-Kopplungen sind von hoher Bedeutung für das Management zukünftiger und gegenwärtiger Wasserproduktionsstätten in den ariden Anden. Darüber hinaus wurde das oft diskutierte Konzept eines unterirdischen Grundwasserflusses von dem andinen Altiplano des Salar del Huasco Beckens zur Pampa del Tamarugal (PdT) durch tiefe Störungszonen untersucht. Hydrologische Zeitreihenanalysen, sowie reflektionsseismische Daten und geothermische Untersuchungen konnten aufzeigen, dass für ein solches konzeptionelles Modell keine Belege existieren. In diesem Zusammenhang kann gezeigt werden, dass hydraulische Drucksignale, die durch Grundwasserneubildung im andinen Vorgebirge erzeugt werden, in kürzester Zeit über zehner Kilometer und mit einem konstanten Zeitversatz zum Fußgebirge der Atacama Wüste übertagen werden. Schlussendlich ließ sich durch die Analyse eines großen Datensatzes stabiler Isotope in Grundwasser darlegen, dass lokale topographische Ausprägungen westlicher, andiner Einzugsgebiete eine zentrale Rolle bei der Mischung von westlichen und östlichen Luftmassen haben, die jeweils unterschiedliche Isotopenzusammensetzungen aufweisen. Dieser Effekt spiegelt sich wider im Wertespektrum stabiler Isotope im Grundwasser und kann daher genutzt werden, um die langjährige, regionale Grundwasserfließrichtung zu identifizieren und die jeweiligen Neubildungszonen einzugrenzen. Die Hauptgrundwasserneubildung für den PdT-Aquifer findet sehr wahrscheinlich entlang der Endsegmente ephemerer Flüsse statt, wobei das Konzept einer signifikanten Neubildung im Bereich alluvialer Fächer nach Flutungsereignissen in den untersuchten Fällen hinterfragt werden muss. Die entwickelten Erkenntnisse sind von Bedeutung auch für andere, hydrologisch vergleichbare Grundwassersysteme in der Atacama Wüste und stärken die Basis für ein evidenzbasiertes Wasserressourcenmanagement in der Tarapacá Region.
Diferentes grupos de interés dependen de los recursos hídricos subterráneos decrecientes del desierto de Atacama, en el norte de Chile. Los esfuerzos actuales en la gestión del agua se enfrentan con la tarea desafiante de contrapesar los intereses sociales, económicos, políticos y ecológicos. Encontrar - en el caso mejor - soluciones sustentables, es muchas veces agravado por la falta de entendimiento de procesos hidrológicos en el ambiente de los Andes áridos. La meta de la presente disertación es generar nuevos conocimientos acerca de preguntas hidrogeológicas aún sin respuesta en la región de Tarapacá. En ella, se analiza críticamente modelos conceptuales establecidos y demuestra la existencia de funcionamientos hidrológicos no considerados, que son de relevancia por el desierto de Atacama. El análisis estadístico de datos de monitoreo de 29 años medidos en la cuenca árida Laguna Lagunillas, dónde el agua subterránea ha sido sobreexplotada desde hace décadas, demuestra que, agua subterránea somera puede tener una función regulatorio esencial con respecto al clima local. Estas desconocidas interacciones entre agua subterránea y el clima son de alta importancia para la gestión de futuros y presentes proyectos de extracción de agua en los Andes áridos. Además, se investigó el concepto controvertido de un flujo subterráneo de agua desde el Altiplano andino hacia la Pampa del Tamarugal (PdT) a través de una red de fracturas muy profundas. El análisis de series temporales, tal como la interpretación de datos sísmicos y consideraciones geotérmicas, demuestran que este tipo de flujo profundo no se pudo verificar para el caso del complejo geológico discutido (Salar del Huasco-Oasis de Pica). En este contexto es posible justificar que las señales de presión hidráulica, generadas por eventos de recarga en la Precordillera andina, se transmiten rápidamente a través de decenas de kilómetros con un retraso constante hacia las estribaciones andinas. Finalmente, en el marco de un análisis de un registro sustancial de datos isotópicos estables de agua subterránea, se pudo mostrar que las diferentes condiciones topográficas locales de las cuencas en la Precordillera, controlan significativamente la mezcla de masas de aire occidental y oriental, las cuales muestran distintas características isotópicas. Este efecto se refleja en los valores isotópicos de agua subterránea y, por lo tanto, es posible utilizarlo para rastrear flujos subterráneos de agua e identificar las zonas de recarga respectivas. La recarga principal del acuífero de la PdT ocurre más probablemente en los segmentos finales de ríos efímeros, mientras que es necesario reconsiderar el concepto aceptado de una recarga significativa en el área de los abanicos aluviales investigados después de inundaciones intermitentes. Las comprensiones desarrolladas son de importancia para otros sistemas parecidos de agua subterráneas en el Atacama y apoyan la base para una gestión racional de los recursos hídricos vitales en la región de Tarapacá.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/7407
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6657
Exam Date: 7-Nov-2017
Issue Date: 2018
Date Available: 7-Feb-2018
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): isotope hydrology
groundwater
Atacama desert
Chile
climate change
Isotopenhydrologie
Grundwasser
Atacama-Wüste
Klimawandel
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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