Mountain regions provide a disproportionately large amount of the world’s fresh water resources. In the tropical Andes, a combination of glacier melt and stored groundwater feed streamflow during the dry season when there is very little precipitation. As the climate warms, glaciers in the tropical Andes are retreating faster than mountain glaciers anywhere else in the world, contributing to water stress for downstream users. Meanwhile, little research has been done to understand the mountain groundwater system despite its demonstrated importance in providing water to streams.

In this thesis, I first use a novel combination of temperature and dye tracing to characterize and quantify groundwater-surface water exchange in the Quilcayhuanca proglacial valley of the Cordillera Blanca in Northern Peru. I show that over a 4 km stream reach, ~30% of the discharge is gained from groundwater and that the moraine sections of the stream were sites of substantial exchange.

Second, I integrate glacier, surface-water and groundwater modelling to elucidate the current and future role of groundwater in the Shullcas Watershed in central Peru. My results indicate that the watershed’s glaciers are likely to disappear before the end of the 21st century. While groundwater temporarily helps to buffer the loss of glacier meltwater during the dry season, it is eventually effected by decreasing groundwater recharge.

Third, I use our improved understanding of mountain groundwater processes to assess infiltration trenching as an adaptation strategy to climate change. Results show that infiltration trenching in the Shullcas Watershed slightly increases groundwater recharge by capturing overland flow. However, the small increase in infiltration results in an increase in dry season baseflow by less than 1% and would supply approximately 800 more people with municipal water.

These combined results demonstrate the growing importance of groundwater in the Andes and provide important information for water managers.

Les régions montagneuses fournissent une quantité disproportionnément grande des ressources en eau douce du monde. Dans les Andes tropicales, l’eau de fonte des glaciers et l’eau souterraine alimentent les rivières pendant la saison sèche lors de laquelle les précipitations sont quasi inexistantes. À mesure que le climat se réchauffe, les glaciers des Andes tropicales se retirent plus rapidement que les glaciers de montagne ailleurs dans le monde, ce qui peut contribuer à des pénuries d’eau pour les utilisateurs en aval. Entre-temps, peu de recherches ont été menées pour comprendre le réseau hydrogéologique en régions montagneuses malgré la démonstration de son importance dans l'approvisionnement en eau des rivières.

Dans cette thèse, j’utilise en premier lieu une combinaison innovatrice de traceurs thermiques et de traceurs fluorescents pour caractériser et quantifier les échanges entre les eaux souterraines et les eaux de surface dans la vallée proglaciaire de Quilcayhuanca de la Cordillera Blanca au nord du Pérou. Je démontre que, sur une section de rivière de 4 km, environ 30% du débit de la rivière provient des eaux souterraines et que les sections contenant des dépôts morainiques sont des parties où des d'échanges importants ont lieus.

Deuxièmement, j'intègre des modèles de fonte glaciaire, d’eau de surface et d’eau souterraine pour élucider le rôle actuel et futur des eaux souterraines dans le bassin versant Shullcas situé dans le centre du Pérou. Mes résultats indiquent que les glaciers du bassin versant devraient probablement disparaître complètement d'ici la fin du 21e siècle. Les eaux souterraines aident temporairement à amortir la perte d'eau de fonte des glaciers pendant la saison sèche, mais seront éventuellement affectées par une diminution de la recharge des eaux souterraines.

Troisièmement, j'utilise notre compréhension améliorée du système hydrogéologique de montagnes pour évaluer l’efficacité des tranchées d'infiltration comme stratégie d'adaptation aux changements climatiques. Les résultats montrent que les tranchées d'infiltration dans le bassin versant Shullcas augmentent légèrement la recharge des nappes phréatiques en capturant le ruissellement en surface. Cependant, cette faible augmentation d'infiltration entraîne une augmentation du débit de base lors des saisons sèches de moins de 1% et alimenterait environ 800 personnes supplémentaires en eau.

Ces résultats fournissent des informations importantes aux responsables de la gestion de l’eau et démontrent l’importance croissante des eaux souterraines dans les Andes.