Integrating lysimeter drainage and eddy covariance flux measurements in a groundwater recharge model

Abstract

Field-scale water balance is difficult to characterize because controls exerted by soils and vegetation are mostly inferred from local-scale measurements with relatively small support volumes. Eddy covariance flux and lysimeters have been used to infer and evaluate field-scale water balances because they have larger footprint areas than local soil moisture measurements. This study quantifies heterogeneity of soil deep drainage (D) in four 12.5-m² repacked lysimeters, compares evapotranspiration from eddy covariance (ET_EC) and mass balance residuals of lysimeters (ETwb_Lys), and models D to estimate groundwater recharge. Variation in measured D was attributed to redirection of snowmelt infiltration and differences in lysimeter hydraulic properties caused by surface soil treatment. During the growing seasons of 2010, 2011 and 2012, ETwb_Lys (278, 289 and 269 mm, respectively) was in good agreement with ET_EC (298, 301 and 335 mm). Annual recharge estimated from modelled D was 486, 624 and 613 mm for three calendar years 2010, 2011 and 2012, respectively. In summary, lysimeter D and ET_EC can be integrated to estimate and model groundwater recharge.

Editor D. Koutsoyiannis

Résumé

Le bilan hydrique à l’échelle de la parcelle est difficile à établir parce que les contrôles exercés par les sols et la végétation sont principalement déduits de mesures locales concernant de faibles volumes. Des flux estimés par covariance de la turbulence et par des lysimètres ont été utilisés pour en déduire et établir des bilans hydriques à l’échelle de la parcelle parce qu’ils concernent de plus grandes zones que les mesures locales d’humidité du sol. Cette étude quantifie l’hétérogénéité du drainage profond (D) dans quatre lysimètres de 12,5 m², compare l’évapotranspiration déduite de la covariance de la turbulence (ET_CT) et des résidus de bilan de masse des lysimètres (ET_Lys), et modélise D pour estimer la recharge souterraine. La variation du D mesuré a été attribuée à la redirection de l’infiltration issue de la fonte des neiges et aux différences de propriétés hydrauliques des lysimètres causées par le traitement de surface du sol. Pendant les saisons de croissance de 2010, 2011 et 2012, ET_Lys (278, 289 et 269 mm, respectivement) était en bon accord avec ET_CT (298, 301 et 335 mm). La recharge annuelle estimée à partir du D modélisé était de 486, 624 et 613 mm pour respectivement les trois années civiles 2010, 2011 et 2012. En résumé, le D du lysimètre et ET_CT peuvent être intégrés pour estimer et modéliser la recharge des eaux souterraines.

Key words:

• groundwater recharge
• lysimeters
• eddy covariance
• field water balance
• soil water flow model
• Hydrus 1D

Mots clefs:

• recharge des eaux souterraines
• lysimètres
• covariance de la turbulence
• bilan hydrique in situ
• modèle d’écoulement de l’eau du sol
• Hydrus 1D

Acknowledgements

The authors would like to thank Wolfgang Durner and an anonymous referee for their constructive comments on an earlier version of this paper.

Additional information

Funding

This study is part of HOBE Hydrological Observatory, a VKR Centre of excellence funded by the Villum Foundation.