Water resources assessment in cold regions: the Upper Tuul River basin, Mongolia
Authors:   , Dandar Enkhbayar 
Published: July 2023

Groundwater withdrawals are growing in most developing countries, including Mongolia, where freshwater resources are limited and unevenly distributed, and most surface waters are frozen during winter. Groundwater represents some 80% of the water supply in the country. Computation of recharge is important, but is complicated in cold regions, because of phase change and permafrost, which is found on 63 percent of the country, and causes conventional physically-based land surface models to be inaccurate.
We have developed a two-compartment water and energy balance model that accounts for freezing and melting and includes vapor diffusion as a water and energy transfer mechanism. It also accounts for the effect of slope orientation on radiation, which may be important for mountain areas. We applied this model to the Upper Tuul River Basin to evaluate recharge under different soil and vegetation types. The basin is divided into 12 zones (models) based on elevation ranges, orientation and slope. Due to the limited number of observation data in this area, precipitation, air temperature and relative humidity were corrected as a function of elevation by means of lapse rates. Results show that recharge is relatively high and delayed with respect to snowmelt during spring, because it is mainly associated to thawing at depth, which may occur much later. Most importantly, we find that vapor diffusion plays an important quantitative role in the energy balance and a relevant qualitative role in the water balance. Except for a few large precipitation events, most of the continuous recharge is driven by vapor diffusion fluxes. Large vapor fluxes occur during spring and early summer, when surface temperatures are moderate, but the subsoil remains cold, creating large downwards vapor pressure gradients. Temperature gradients reverse in fall and early winter, but the vapor diffusion fluxes do not, because of the exponential shape of the saturated vapor pressure as a function of temperature giving smaller vapor pressure differences at lower temperature. The computed sensible heat flux is higher than the latent heat flux, which reflects the dry climate of the region. The downward latent heat flux associated to vapor diffusion is largely compensated by an upward heat conduction, which is much larger than in temperate regions.

The alluvial aquifer around Ulaanbaatar supplies water to the city and is under pressure because of the growing water demand. To address this concern, we built a numerical model, which is challenging, not only because of the lack of data, but also because the river freezes during winter. River flow under the ice is sustained by groundwater, which provides the energy to prevent full freezing of the whole river thickness, but which may not occur where groundwater levels are depleted by pumping. At present, the river still flows under the ice during winter at both ends of the Ulaanbaatar alluvial aquifer. The downstream end, to the West, receives aquifer discharge, whereas the river is fed by discharge from adjacent alluvial aquifers upstream of the east end. But, in the central portion, the river is fully frozen. In fact, the river bed in this portion becomes dry in April most years, probably because of sublimation and because melted water immediately infiltrates into the aquifer. If groundwater pumping increases, either at the Ulaanbaatar alluvial aquifer or at the alluvial aquifer near Gachuurt village, it is likely that the currently winter flowing portion of the river will also dry or, rather, become fully frozen during winter. This will not be a major problem from a quantitative point of view because aquifer storage is sufficient to support winter pumping, even if pumping is increased. However, it may have other environmental and cultural implications. Therefore, further study is needed to monitor at both the upper and downstream stream parts of the aquifer.

La extracción de agua subterránea crece en la mayoría de los países en desarrollo y representa un problema en Mongolia, donde los recursos de agua son limitados, están distribuidos de manera irregular, y la mayoría de las aguas superficiales se congelan en invierno. El agua subterránea representa la principal (del orden del 80%) fuente de suministro, lo que hace importante el cálculo de la recarga. El cálculo se complica en zonas frías por los cambios de fase y el permafrost, que cubre el 63% del país, y hace que los modelos convencionales de balance de agua en el suelo sean imprecisos. Hemos desarrollado un modelo de balance de agua y energía de dos compartimentos que incluye sublimación, congelación y fusión, así como la difusión de vapor como mecanismo de transferencia de agua y energía. También reconoce el efecto de la orientación de la pendiente sobre la radiación, que puede ser importante en zonas de montaña. Hemos aplicado este modelo a la Cuenca Alta del Río Tuul. Para incluir el efecto de los distintos tipos de suelo y vegetación, dividimos la cuenca en 12 zonas en función de la elevación, la orientación y la pendiente. Por otro lado, hemos tenido que corregir, en función de la altitud, los datos de precipitación y temperatura y humedad relativa del aire, solo disponibles en estaciones situadas en valles. Los resultados muestran que la recarga es relativamente alta y retrasada respecto al deshielo, ya que una parte se asocia a la fusión del hielo profundo, que ocurre mucho más tarde. Lo más importante es que la difusión de vapor desempeña un importante papel tanto en el balance energético como en el hídrico. Exceptuando algunos eventos de alta precipitación, la mayor parte de la recarga está asociada al flujo difusivo de vapor, que aporta no solo agua sino también energía para fundir el hielo profundo. La difusión de vapor es máxima al final de la primavera y principios del verano, cuando el suelo se calienta, favoreciendo la evaporación, pero el subsuelo permanece frío, lo que produce condensación. El gradiente térmico se invierte en otoño e invierno, pero no tanto el flujos de vapor porque las diferencias de presión de vapor disminuyen al bajar la temperatura. El flujo de calor latente descendente asociado a la difusión de vapor se compensa en gran medida por una conducción de calor hacia arriba, que es mucho mayor que en regiones templadas. El acuífero aluvial de Ulán Bator suministra agua a la ciudad y sufre la creciente demanda de agua. Para abordar esta inquietud, hemos construido un modelo numérico, que es un desafío, no sólo por la falta de datos, sino también porque el río se congela en invierno. Los ríos fluyen bajo el hielo gracias al agua subterránea, que aporta energía para impedir la congelación total del río, que desaparece cuando los niveles del agua subterránea se deprimen por bombeo. En la actualidad, el río sigue fluyendo bajo el hielo en ambos extremos del acuífero aluvial. El de aguas abajo, hacia el oeste, recibe la descarga del acuífero, mientras que en el extremo este recibe la descarga de acuíferos aguas arriba. Pero, en la parte central, el río está completamente congelado. De hecho, el lecho del río llega a secarse en Abril, probablemente debido a la sublimación y a que el agua derretida se infiltra. Si el bombeo del agua subterránea aumenta, ya sea en el acuífero aluvial de Ulán Bator o en los de aguas arriba, es probable que la parte del río que actualmente fluye también se seque o se congele completamente en invierno. Esto no será un problema importante desde un punto de vista cuantitativo, porque el almacenamiento del acuífero es suficiente para soportar el bombeo invernal, incluso si se aumenta, pero podría tener otras implicaciones ambientales y culturales. Por ello, sería deseable hacer estudios de detalle en ambos extremos del acuífero.

Цэвэр усны нөөц хязгаарлагдмал, жигд бус тархалттай, гадаргын ус нь өвлийн
улиралд хөлддөг онцлогтой Монгол зэрэг хөгжиж буй орнуудад газрын доорх усны
хэрэглээ өсөж байна. Усны нийт хэрэглээний 80 орчим хувийг газрын доорх усаар
хангадаг. Газрын доорх усны тэжээмжийг тооцох нь чухал боловч нийт газар нутгийн
60 хувьд нь олон жилийн цэвдэг чулуулгийн тархалттай, фазын өөрчлөлттэй, физикд
суурилсан газрын гадаргын загварууд нь тодорхой бус байдаг шалтгаанаас хүйтэн уур
амьсгалтай бүс нутгуудын хувьд хүндрэлтэй байдаг.
Иймд хөлдөлт, гэсэлтийг тооцоолох болон ус ба энергийн шилжилийн механизм
болох усны уурын диффузыг (vapor diffusion) багтаасан хоёр хэсэг ус ба энергийн
балансын загварыг хийсэн. Уг загварт уулархаг районы чухал хүчин зүйл болох
газрын гадаргын налуугийн байрлал, нийлбэр цацрагийн нөлөөллийг тооцож үзсэн.
Загварыг янз бүрийн хөрс, ургамалтай нөхцөлд тэжээмжийг үнэлэх зорилгоор Туул
голын сав газрын дээд хэсэгт хэрэглэсэн. Тус талбайг газрын гадаргын налуу, байрлал
болон өндөржилтөөр нь 12 бүсэд (загварт) хувааж үзэв. Талбайн цаг уурын
ажиглалтын мэдээ хязгаарлагдмал тул хур тунадас, агаарын температур болон
харьцангуй чийгшил өндөржилтөөс хамаарсан хамаарлыг (lapse rate) ашиглан
засварыг гүйцэтгэлээ. Загварын үр дүнгээс харахад, тэжээмж харьцангуй их, ихэвчлэн
хөрсний гэсэлтийн гүнээс хамаарч хожуу тохиолдох хаврын цасны хайлалтаас ирдэг
байна. Хамгийн чухал нь усны уурын диффузи энергийн балансад тоон чухал үүрэг
гүйцэтгэж усны балансад чанарын үүрэг гүйцэтгэдгийг тогтоосон. Нэг удаагийн их
хэмжээний хур тунадаснаас бусад тохиодолд газрын доорх усны тэжээмж нь усны
уурын диффузын урсацаар бий болно. Газрын гадаргын өнгөн хэсгийн температур
өсөх үед (>0°C), хавар болон зуны улиралын эхэн үед их хэмжээний усны уурын
диффузи явагддаг ч газрын өнгөн хэсгээс доошхи гүнд хөрс хөлдүү байж доош
чиглэсэн их хэмжээний усны уурын даралтын зөрүү бий болдог. Газрын өнгөн
хэсгийн болон гүн дэх температурын зөрүү намар, өвлийн улирлын эхэнд эсэргээрээ
тохиолдоход бага температурт усны уурын даралтын ялгааг бага өгөх ханасан усны
уурын даралтын экспоненциал хэлбэр температураас хамаарсан функц байдаг тул
дээш чиглэсэн усны уурын диффузийн хөдөлгөөн маш бага байна. Тооцсон турбулент
босоо дулааны урсгал (sensible heat) нь ууршилтанд зарцуулагдах дулааны урсгалаас
(latent heat) их байгаа нь хуурай уур амьсгалтайг илтгэнэ. Доош чиглэсэн дулааны
урсгал усны уурын диффузтэй холбоотой. сэрүүн бүс нутагт их байдаг дээш чиглэсэн
хөрсний дулааны урсгалаар нөхөгдөж байдаг.
Улаанбаатар хотын усан хангамжийг аллювийн уст давхаргаас хангадаг ба өсөн
нэмэгдэж буй усны хэрэглээнээс болж асуудал үүсээд байгаа билээ. Энэ асуудлыг
шийдвэрлэхийн тулд мэдээлэл хомсдолоос гадна өвлийн улиралд голын ус хөлддөг
хүндрэлтэй нөхцөлд тоон загварыг хийж гүйцэтгэсэн. Голын мөсний дор гол бүрэн
хөлдөх үйл явцыг удаашруулдаг дулааны хөдөлгөөн газрын доорх усны урсгалаар бий
болдог ч газрын доорх усны түвшин шавхалтын улмаас багассан тохиолдолд дээрх
үйл явц явагдах боломжгүй. Одоогийн байдлаар Улаанбаатар орчмын аллювийн уст
давхаргын дээд болон доод хэсгүүдэд өвлийн улиралд голын ус урсгалтай байна.
Талбайн дээд буюу зүүн хэсэгт (Гачуурт орчимд) голын ус нь зэргэлдээх аллювийн
уст давхаргаас тэжээгддэг онцлогтой. Харин төв хэсэгт голын ус ёроолоо хүртэл
хөлддөг. Энэ хэсэгт өвлийн улиралд явагддаг ууршилт (sublimation) болон хайлсан ус
тэр дороо уст давхарга руу нэвчдэгийн улмаас ихэнхдээ 4-р сард хуурай, усгүй болдог
байна. Хэрэв Улаанбаатар орчмын аллювийн уст давхарга, Гачуурт тосгон орчмын уст
давхаргад усны шавхалт нэмэгдвэл өвлийн улиралд голын ус ёроолоо хүртэл хөлдөх
нөхцөлийг бүрдүүлэх ба мөсний доор усны урсгал явагдах боломжгүй болох
магадлалтай. Өвлийн улирлын шавхалтанд газрын доорх усны нөөц хангалттай байдаг тул тоо хэмжээний хувьд тийм ч чухал асуудал биш ч хүрээлэн буй орчин, соёлын ач холбогдолтой байж болох юм. Иймд уст давхаргын дээд болон доод хэсгүүдэд хяналт хийх нэмэлт судалгаа шаардлагатай байна.