Estimating groundwater recharge through tills: a sensitivity analysis of soil moisture budgets and till properties in Ireland

The study highlights the dangers of limiting recharge calculations in humid climates to meteorological and soil considerations. It highlights the importance of developing a conceptual understanding of the influence of geology on recharge mechanisms and recharge rates. Uncertainties in recharge estimates through tills are examined by a study of the available literature, combined with sensitivity analyses of soil moisture budget parameters and of hypothetical scenarios of till properties and hydraulic gradients that are realistic for Irish conditions. The sensitivity analyses demonstrate that till properties have a greater influence over recharge than the soil moisture budgeting parameters. Results are considered in terms of recharge coefficients, representing the proportion of effective precipitation that becomes actual recharge to the aquifer. The literature review identifies a range in recharge coefficients from 4% to 90% in selected field and catchment scale studies from bedrock aquifers in Ireland and the U.K. The sensitivity analyses are able to simulate a similar range in recharge coefficient of 2% to 80% by varying only till permeability, thickness and vertical hydraulic gradients. In the scenarios examined, the greatest sensitivity to vertical till permeability lies between 0.001 m/day and 0.01 m/day. The sensitivity to soil moisture budgeting parameters is much less apparent. It is concluded that this is due to the dominance of grassland in Ireland and the relatively wet summers, resulting in the limited development of soil moisture deficits by comparison with some parts of the U.K.

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Résumé Cette étude met en lumière les dangers résultants de la pratique consultant à limiter les calculs de recharge aux données météorologiques ainsi qu’aux considérations liées au sol. Elle met en lumière l’importance de développer des modèles conceptuels comprenant l’influence de la géologie sur les mécanismes de la recharge et les taux de recharge. Les incertitudes sur les estimations de la recharge à travers les argiles sont examinées à travers les données disponibles dans la littérature, combinées avec une analyse de sensibilité des paramètres du bilan hydrique et des scénarios hypothétiques reprenant les propriétés des argiles et les gradients hydrauliques qui sont réalistes dans le contexte irlandais de l’étude. Les analyses de sensibilité démontrent que les propriétés des argiles ont une plus grande influence sur la recharge que les paramètres du bilan hydrique des sols. Les résultats sont considérés en terme de coefficients de recharge, représentant la proportion de précipitation effective qui devient la recharge réelle de l’aquifère. La littérature identifie des coefficients de recharge allant de 4 à 90% sur des terrains sélectionnés à l’échelle de bassins-versants, sur les aquifères de socle en Irlande et au Royaume-Uni. Les analyses de sensibilité sont capables de simuler une variation aussi large de coefficients de recharge, en ne changeant rien que la perméabilité des argiles, leur épaisseur et les gradients hydrauliques verticaux. Dans les scénarios étudiés, la meilleure sensibilité à la perméabilité verticale se situe entre 0.001 et 0.01 m/jour. La sensibilité au bilan hydrique est beaucoup moins apparente. On en conclut que ceci est du à la dominance des prairies en Ireland et aux étés relativement humides, résultant des déficits en eau des sols relativement modérés en comparaison avec certaines zones du Royaume-uni.

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Resumen El estudio resalta los peligros de limitar los cálculos de recarga en climas húmedos a las consideraciones meteorológicas y del suelo. Se destaca la importancia de desarrollar un entendimiento conceptual de la influencia de la geología en los mecanismos de recarga y los ritmos de recarga. Se examinan las incertidumbres en los estimados de recarga a través de tills mediante un estudio de la literatura disponible combinado con análisis de sensibilidad de parámetros de balance de humedad del suelo y de escenarios hipotéticos de las propiedades del till y gradientes hidráulicos que son realistas para condiciones típicas de Irlanda. Los análisis de sensibilidad demuestran que las propiedades del till tienen una influencia más grande en la recarga que los parámetros del balance de humedad del suelo. Se consideran los resultados en términos de coeficientes de recarga, representando la proporción de precipitación efectiva que se convierte en recarga real al acuífero. La revisión de literatura identifica un rango de coeficientes de recarga que varía de 4% a 90% en estudios seleccionados de cuencas y escala de campo realizados en acuíferos de macizo rocoso en Irlanda y el Reino Unido. Los análisis de sensibilidad pueden simular un rango similar en los coeficientes de recarga de 2% a 80% al variar únicamente la permeabilidad del till, el espesor y los gradientes verticales hidráulicos. En los escenarios examinados, la relación de sensibilidad más grande con la permeabilidad vertical del till se encuentra entre 0.001 m/día y 0.01 m/día. La sensibilidad en relación a los parámetros del balance de humedad del suelo es mucho menos aparente. Se concluye que esto se debe a la predominancia de tierras con hierba en Irlanda y los veranos relativamente húmedos, lo que resulta en el desarrollo limitado de déficit de humedad de suelo en comparación con algunas partes del Reino Unido.

     

Solute and isotope constraint of groundwater recharge simulation in an arid environment,Abu Dhabi Emirate,United Arab Emirates

A simple, well-constrained simulation of solute increases in a downgradient direction was used in the shallow unconfined aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate (United Arab Emirates). The simulation indicates that the observed exponential increase in solute concentrations results from a combination of upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites, and groundwater losses by evaporation. Groundwater recharge and discharge flux in unconfined regional aquifers in arid regions commonly are difficult to estimate because there are few constraints on the flux of water lost or gained from the system. Total dissolved solids (TDS) and deuterium isotopes (δ²H) in groundwater are used to constrain estimated fluxes to the shallow aquifer of eastern Abu Dhabi Emirate. Vertical upward transport of solutes from underlying mudstones and evaporites accounts for solute increases along approximately the first 80 km of the simulated flow path, but a combination of upward solute transport and evaporation is necessary to explain observed solute concentrations beyond 80 km. Mobilization and transport of solutes in the unsaturated zone by recharging precipitation is not a significant factor.

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Résumé Une simulation simple et bien contrainte de l’augmentation des solutés dans la direction de l’écoulement a été réalisée sur l’aquifère phréatique et libre de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi (émirats Arabes Unis). La simulation indique que l’augmentation observée de solutés, de forme exponentielle, est le produit de la combinaison du transport ascendant de solutés provenant des mudstones et des évaporites sous-jacents, et de l’évaporation des eaux souterraines. La recharge des eaux souterraines et les flux de vidange dans les aquifères régionaux libres des régions arides sont habituellement difficiles à estimer du fait du peu de contraintes agissant sur la perte ou le gain d’eau dans le système. La charge dissoute totale (TDS, en anglais) et les isotopes deutérium (δ²H) des eaux souterraines sont utilisés pour contraindre l’estimation des flux en direction de l’aquifère phréatique de l’Est de l’émirat d’Abu Dhabi. Le transport vertical ascendant des solutés à partir des mudstones et des évaporites fait parti des processus qui concentrent les solutés approximativement le long des 80 premiers kilomètres du trajet des écoulements simulés, mais une combinaison du transport ascendant des solutés et de l’évaporation est nécessaire pour expliquer les concentrations observées en soluté au delà des 80 km. La mobilisation et le transport des solutés par les précipitations efficaces dans la zone non saturée ne représentent pas des facteurs significatifs.

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Resumen Se utilizó una simulación simple y muy restringida, de incrementos de soluto en la dirección del flujo, en el acuífero libre poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi, (Emiratos árabes Unidos). La simulación indica que el aumento exponencial observado en las concentraciones del soluto, resulta de una combinación de transporte ascendente de solutos desde las evaporitas y lodolitas subyacentes, y por pérdidas del agua subterránea por evaporación. Los flujos de recarga y descarga de agua subterránea, en los acuíferos libres regionales en regiones áridas, normalmente son difíciles estimar, porque hay algunas restricciones en el flujo de agua perdido o ganado por el sistema. Los sólidos disueltos totales (TDS) y los isótopos de deuterio (δ²H) en el agua subterránea, se usan para forzar los flujos estimados hacia el acuífero poco profundo del Emirato oriental de Abu Dhabi. El transporte ascendente vertical de solutos desde las lodolitas y evaporitas subyacentes, involucra los aumentos del soluto a lo largo de aproximadamente los primeros 80 Km. de la dirección de flujo simulada, pero es necesaria una combinación de transporte ascendente del soluto y la evaporación para explicar las concentraciones del soluto observadas más allá de 80 Km. La movilización y transporte de solutos en la zona no saturada, por recarga debida a precipitación, no es un factor significante.

     

Aquifer storage capacity and maximum annual yield from long-term aquifer fluxes

Long-term time series data of aquifer recharge, groundwater extraction, and discharge are used to estimate aquifer storage capacity and maximum annual yield. Aquifer storage capacity is defined as the maximum volume of water that can be stored in an aquifer. It is estimated using a transient water-balance approach. The maximum annual yield is defined as the maximum combined groundwater extraction plus discharge that can be sustained in an aquifer judged by the historical record of recharge. It is determined according to a graphical mass-curve method. These two quantities are useful in aquifer characterization and groundwater management, the apportionment of groundwater rights and aquifer storage and recovery operations being two frequent applications. Time series data from the Edwards Aquifer, Texas, USA, illustrate the application of the methods presented.

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Résumé Des données sur le long terme de la recharge d’aquifère, de l’exploitation de l’eau souterraine et de la vidange sont utilisées pour estimer la capacité d’emmagasinement de l’aquifère et la capacité annuelle maximum. La capacité d’emmagasinement de l’aquifère est définit comme le volume maximum de l’eau qui peut être emmagasinée dans le réservoir. Elle est estimée en utilisant une approche par bilan hydrologique en transitoire. La capacité annuelle maximum est définit comme la combinaison de l’extraction de l’eau souterraine et de la vidange, combinaison qui peut être jugée durable ou non au regard de l’examen des valeurs de recharge. Elle est déterminée au moyen d’une méthode de courbe des valeurs cumulées. Ces deux quantités sont très utiles pour caractériser les aquifères et pour gérer les eaux souterraines, l’imputation des droits aux eaux souterraines, et du fait que les opérations de recharge des aquifères et de récupération sont très fréquentes. Les données temporelles provenant de l’aquifère Edwards, Texas, USA, illustrent l’application de la méthode présentée.

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Resumen Para estimar la capacidad de almacenamiento de un acuífero y su rendimiento máximo anual, se han utilizado series temporales largas de datos de recarga al acuífero, de extracciones de agua subterránea y de descarga. La capacidad de almacenamiento de un acuífero se define como el volumen máximo de agua que puede ser almacenado en el mismo. Se estima utilizando una aproximación con un balance de agua en régimen transitorio. El rendimiento máximo anual se define como el máximo resultante de la combinación de la extracción de aguas subterráneas y la descarga que puede ser sostenido por un acuífero según los registros históricos de recarga y se define según un método gráfico masa-curva. Estos dos valores son útiles en la caracterización de los acuíferos y en la gestión de las aguas subterráneas, el reparto de los derechos sobre las aguas subterráneas y las operaciones de almacenaje y recuperación de los acuíferos, que son dos aplicaciones frecuentes. Las series de tiempo para el Acuífero Edwards, Texas, USA, ilustra la aplicación de los métodos presentados.

     

Hydrogeology and hydrochemistry of a shallow alluvial aquifer,western Saudi Arabia

A hydrogeological and hydrochemical study was conducted on a shallow alluvial aquifer, Wadi Wajj, in western Saudi Arabia to assess the influence of protection measures on groundwater quality. The hydrochemistry was assessed up-gradient and down-gradient from potential contamination sources in the main city in dry and wet seasons prior to and after the installation of major drainage and wastewater facilities. Wadi Wajj is an unconfined aquifer where water is stored and transmitted through fractured and weathered bedrock and the overlying alluvial sediments. Natural recharge to the aquifer is about 5% of rainfall-runoff. Hydrochemistry of the aquifer shows temporal and seasonal changes as influenced by protection measures and rainfall runoff. Both groundwater and runoff showed similar chemical signature, which is mostly of chloride-sulfate-bicarbonate and sodium-calcium type. Groundwater downstream of the city, though of poorer quality than upstream, showed significant improvement after the installation of a concrete runoff tunnel and a wastewater treatment plant. Concentrations of many of the groundwater quality indicators (e.g., TDS, coliform bacteria, and nitrate) exceed US Environmental Protection Agency drinking-water standards. Heavy metal content is, however, within allowable limits by local and international standards. The chemical analyses also suggest the strong influence of stream runoff and sewage water on the groundwater quality.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé Une étude hydrogéologique et géochimique a été menée sur l’aquifère phréatique alluviale Wadi Wajj dans l’Ouest de l’Arabie Saoudite afin d’évaluer l’influence de mesures de protection sur la qualité de l’eau souterraine. L’hydrogéochimie de l’eau a été étudiée en amont et en aval de sources potentielles de contamination dans la ville principale, pendant les saisons sèches et humides, avant et après l’installation de réseaux majeurs de drainage et d’eaux usées. L’aquifère Wadi Wajj est libre, l’eau est stockée et s’écoule dans les sédiments alluviaux et dans le socle fracturé et altéré sous-jacent. La recharge naturelle de l’aquifère représente 5% des eaux de pluie et de ruissellement. L’hydrogéochimie de l’eau de l’aquifère montre que les changements saisonniers et temporaires sont influencés par les mesures de protection et par le ruissellement des eaux pluviales. L’eau souterraine et l’eau de ruissellement ont présenté le même faciès chimique, de type bicarbonatée-sulfatée-chlorée et calco-sodique. En aval de la ville, l’eau souterraine, bien que de moins bonne qualité qu’en amont, a présenté une nette amélioration après l’installation d’un système de récupération et d’une station de traitement des eaux usées. Les concentrations de plusieurs paramètres indicateurs de la qualité de l’eau (tels que la charge totale dissoute, les coliformes, et les nitrates) dépassent les normes de potabilité de l’eau de consommation de l’agence américaine de la protection de l’environnement. Les teneurs en métaux lourds en revanche n’excèdent pas les normes locales et internationales. Les analyses chimiques indiquent aussi l’influence importante de l’écoulement par ruissellement et des eaux usées sur la qualité de l’eau souterraine.

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Resumen Un estudio hidrogeológico e hidroquímico fue hecho en un acuífero somero de Wadi Wajj, en Arabia Saudi oeste para evaluar la influecia de medidas de protección en la calidad del agua subterránea. La hidroquímica fue evaluada gradiente-arriba y gradiente-abajo de las fuentes potenciales de contaminación de la ciudad principal durante las estaciones seca y lluviosa, antes y después de la instalación de sistemas principales de drenaje y aguas servidas. Wadi Wajj es un acuífero no-confinado donde el agua es almacenada y transmitida a través de roca fracturada y meteorizada, y los sedimentos aluviales que le sobreyacen. La recarga natural del acuífero es de cerca del 5% de la precipitación-escorrentía. La hidroquímica del acuífero muestra cambios temporales y estacionales influenciados por las medidas de protección y la escorrentía de precipitación. Ambas, agua subterránea y escorrentía mostraron composición química similar, siendo mayoritariamente de tipos cloruro-sulfato-bicarbonato y sodio-calcio. El agua subterránea aguas arriba de la ciudad, aunque de calidad más pobre que aguas abajo, mostró significante mejoría después de la instalación de un tunel de concreto para escorrentía y una planta de tratamiento de aguas servidas. Las concentraciones de muchos de los indicadores de calidad de agua subterránea (e.g., STD, coliformes, y nitrato) exceden los estándares de la Agencia de Protección Ambiental USA para agua potable. El contenido de metales pesados está, sin embargo, dentro de los límites permisibles de los estándares locales e internacionales. Los análisis químicos también sugieren la fuerte influencia de la escorrentía y aguas residuales en la calidad del agua subterránea.

     

Groundwater flow modelling of the regional aquifer of the Pampa del Tamarugal,northern Chile

The Pampa del Tamarugal Aquifer (PTA) is an important source of groundwater in northern Chile. In this study, a groundwater flow model of this aquifer is developed and calibrated for the period 1983–2004. The model reproduces the observed flow-field and the water balance components reasonably well. Five scenarios are defined to evaluate the response to different pumping situations. These scenarios show that groundwater heads will continue to decrease with the present pumping discharge rates. To account for variations in the model results due to uncertainties in average recharge rates, randomly generated recharge realizations with different levels of uncertainty are simulated. Evaporation flow rates and groundwater flowing out of the modelled area seem unaffected by the recharge uncertainty, whereas the storage terms can vary considerably. For the most intensive pumping scenario under the generated random recharge rates, it is unlikely that the cumulative discharged volume from the aquifer, at the end of the simulation period, will be larger than 12% of the estimated groundwater reserve. Fluctuations in simulated groundwater heads due to uncertainties in the average recharge values are more noticeable in certain areas. These fluctuations could explain unusual behaviour in the observed groundwater heads in these areas.

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Resumen El Acuífero de la Pampa del Tamarugal (PTA) es una fuente importante de agua subterránea en el norte de Chile. En este estudio se desarrolla y calibra un modelo de flujo de agua subterránea para el periodo 1983–2004. El modelo reproduce razonablemente bien el campo de flujo observado y los componentes del balance hídrico. Se definen cinco escenarios para evaluar la respuesta a diferentes situaciones de bombeo. Estos escenarios muestran que con las tasas de descarga de bombeo actuales las presiones de agua subterránea continuarán en descenso. Para explicar las variaciones en los resultados del modelo debidas a incertidumbres en tasas de recarga promedio se han simulado realizaciones de recarga generadas aleatoriamente con diferentes niveles de incertidumbre. Las tasa de flujo por evaporación y el agua subterránea que fluye fuera del área modelizada parecen no haber sido afectadas por la incertidumbre en recarga mientras que los términos de almacenamiento pueden variar considerablemente. Para el escenario de bombeo más intenso, bajo las tasas de recarga generadas aleatoriamente, no es probable que el volumen descargado acumulado del acuífero al final del periodo de simulación sea mayor del 12% de la reserva de agua subterránea estimada. Las fluctuaciones en las presiones simuladas de agua subterránea debido a las incertidumbres en los valores de recarga promedio son más notorios en ciertas áreas. Las fluctuaciones podrían explicar el comportamiento inusual en las presiones de agua subterránea observadas en estas áreas.

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Résumé L’aquifère de la Pampa del Tamarugal (PTA) représente une importante source d’eau souterraine dans le Nord du Chili. Dans cette étude, un modèle d’écoulement souterrain de cet aquifère est réalisé et calibré pour la période 1983–2004. Celui-ci reproduit le champs d’écoulement observé et les composantes du bilan d’eau raisonnablement bien. Cinq scénarios sont définis pour évaluer la réponse du système à des conditions de pompage différentes. D’après ces scénarios, les niveaux piézomètriques vont continuer à baisser sous l’effet des taux de pompage actuels. Pour tenir compte de la variabilité des résultats du modèle due aux incertitudes sur les taux de recharge moyens, des épisodes de recharge, générés aléatoirement et présentant différents niveaux d’incertitude sont simulés. Les taux d’évaporation et l’eau souterraine s’écoulant hors de la zone modélisée semblent non affectés par l’incertitude sur la recharge, les termes d’emmagasinement en revanche peuvent varier considérablement. Dans le cas du scénario avec le pompage le plus important et des taux de recharge aléatoires, il est peu probable que le volume cumulé pompé hors de l’aquifère à la fin de la simulation atteigne une valeur supérieure à 12% de la réserve d’eau souterraine estimée. Les fluctuations des niveaux piézomètriques simulés liées aux incertitudes sur les recharges moyennes sont plus perceptibles dans certaines zones. Ces fluctuations pourraient expliquer un comportement inhabituel des niveaux piézomètriques observés dans ces zones.

     

Remote sensing and GIS for mapping groundwater recharge and discharge areas in salinity prone catchments,southeastern Australia

Identifying groundwater recharge and discharge areas across catchments is critical for implementing effective strategies for salinity mitigation, surface-water and groundwater resource management, and ecosystem protection. In this study, a synergistic approach has been developed, which applies a combination of remote sensing and geographic information system (GIS) techniques to map groundwater recharge and discharge areas. This approach is applied to an unconfined basalt aquifer, in a salinity and drought prone region of southeastern Australia. The basalt aquifer covers ~11,500 km² in an agriculturally intensive region. A review of local hydrogeological processes allowed a series of surface and subsurface indicators of groundwater recharge and discharge areas to be established. Various remote sensing and GIS techniques were then used to map these surface indicators including: terrain analysis, monitoring of vegetation activity, and mapping of infiltration capacity. All regions where groundwater is not discharging to the surface were considered potential recharge areas. This approach, applied systematically across a catchment, provides a framework for mapping recharge and discharge areas. A key component in assigning surface and subsurface indicators is the relevance to the dominant recharge and discharge processes occurring and the use of appropriate remote sensing and GIS techniques with the capacity to identify these processes.

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Résumé Sur un bassin versant, l’identification des zones d’alimentation et des aires d’émergence des eaux souterraines est capitale pour mettre en œuvre des stratégies de réduction de la salinité, de gestion des eaux souterraines et superficielles, et de protection des écosystèmes. Une approche synergique a été développée, sur la base de recherches existantes pour cartographier de manière systématique les zones de recharge et d'émergence. Elle combine des techniques de télédétection et de Systèmes d’Information Géographique, dans le but de cartographier les zones d’alimentation et d’émergence. Ces techniques ont été appliquées à un aquifère basaltique libre, dans un secteur sujet à la sécheresse et à la salinité du Sud-Est australien. L’aquifère considéré couvre environ 11,500 km² d’une région essentiellement agricole. Un inventaire des processus hydrogéologiques locaux a conduit à l’établissement d’une série d’indicateurs superficiels et subsuperficiels des zones d’alimentation et d’émergence. Plusieurs méthodes de télédétection et de SIG furent alors utilisées pour cartographier ces indicateurs de surface, y compris les analyses de terrain, le suivi de l’activité de la végétation et la cartographie des capacités d’infiltration. Toutes les régions en dehors des zones d'émergence sont considérées commes des zones d'alimentation potentielles. Un des composants clés de l’attribution des indicateurs superficiels et subsuperficiels est la concordance avec les processus majeurs d’alimentation et de prélèvement entrant en jeu, et l’utilisation de méthodes de télédétection et SIG adaptées permettant d’identifier ces processus.

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Resumen La identificación de áreas de descarga y recarga de agua subterránea es crítica para la implementación de estrategias efectivas relacionadas con mitigación de salinidad, gestión de recursos de agua subterránea y agua superficial, y protección de ecosistemas. En este estudio se ha desarrollado un enfoque sinérgico apoyándose en investigación existente el cual aplica una combinación de técnicas de sistemas de información geográfico (SIG) y sensores remotos para cartografiar áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Este enfoque se aplica a un acuífero de basalto no confinado en una región del sureste de Australia propensa a sequía y salinidad. El acuífero de basalto cubre aproximadamente 11,500 km² en una región con agricultura intensiva. Una revisión de los procesos hidrogeológicos locales permitió el establecimiento de una serie de indicadores superficiales y subterráneos de áreas de recarga y descarga de agua subterránea. Luego se utilizaron varias técnicas de SIG y sensores remotos para cartografiar estos indicadores superficiales incluyendo: análisis del terreno, monitoreo de la actividad de la vegetación, y cartografiado de la capacidad de infiltración. Todas las regiones donde el agua subterránea no descarga en la superficie fueron consideradas áreas potenciales de recarga. Este enfoque que se ha aplicado sistemáticamente a través de la cuenca aporta un marco para la cartografía de áreas de recarga y descarga. Un componente clave en la asignación de indicadores superficiales y subterráneos lo constituye la relevancia a los procesos dominantes de recarga y descarga que ocurren y el uso de técnicas apropiadas de SIG y sensores remotos con la capacidad para identificar esos procesos.

     

Analysis of radial movement of an unconfined leaky aquifer due to well pumping and injection

Radial movement of an unconfined leaky aquifer was studied with respect to hydraulic forces that are induced by well recharge and discharge. New analytic solutions in the velocity and displacement fields were found and applied to describe transient movement in an unconfined leaky aquifer. Linear momentum and mass balance of saturated porous sediments, the Darcy-Gersevanov law, and the analytic solution of hydraulic drawdown for unsteady flow within the unconfined leaky aquifer were introduced to find the new solutions. Analytic results indicate that the nonlinear relation between the initial hydraulic head (h₀) and the well function has an insignificant effect on the aquifer transient movement when the drawdown s<0.02h ₀. When the well function is simplified with different assumptions and pumping conditions, the new solutions correspondingly reduce to cases that are similar to the Hantush-Jacob, Muskat, and Theis transient movement of a confined leaky aquifer. It was found that large leakance is important in slowing radial movement and reducing aquifer deformation. Flow velocity in the aquifer is more responsive to leakance than to cumulative displacement within the aquifer. The zones and boundary with tensile stress can be located using the same approach applied to a confined aquifer for risk assessment of earth fissuring.

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Résumé Le mouvement radial dans un aquifère semi-perméable libre a été étudié en considérant les forces hydrauliques induites par la recharge et le prélèvement au niveau d’un puits. De nouvelles solutions analytiques des champs de vitesse et de déplacement ont été trouvées et appliquées pour décrire le mouvement transitoire dans un aquifère semi-perméable libre. Pour trouver les nouvelles solutions, le moment linéaire et le bilan de masse dans les sédiments poreux saturés, la loi de Darcy-Gersevanov, et la solution analytique du rabattement hydraulique pour un écoulement transitoire dans un aquifère semi-perméable libre sont pris en compte. Les résultats analytiques montrent que la relation non-linéaire entre le potentiel hydraulique initial (h₀) et la fonction de puits a un effet insignifiant sur le mouvement transitoire de l’aquifère quand le rabattements s <0.02h₀. Si la fonction de puits est simplifiée en tenant compte de différentes hypothèses et conditions de pompage, les nouvelles solutions se réduisent en conséquence à des cas similaires au mouvement transitoire dans un aquifère semi-perméable captif selon Hantush-Jacob, Muskat, et Theis. Il s’est avéré qu’une drainance élevée est importante pour le ralentissement du mouvement radial et la réduction de la déformation de l’aquifère. La vitesse d’écoulement dans l’aquifère est plus sensible à la drainance qu’au déplacement cumulé dans l’aquifère. Les zones et la frontière présentant des contraintes de traction peuvent être localisées en utilisant la même approche appliquée à un aquifère captif pour l’évaluation des risques de fissuration du sol.

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Resumen Se ha estudiado el movimiento radial en un acuífero no confinado con fuga en relación a las fuerzas hidráulicas que son inducidas por la descarga y recarga del pozo. Se encontraron nuevas soluciones analíticas en los campos de desplazamiento y velocidad, las cuales se aplicaron para describir el movimiento transitorio en un acuífero no confinado con fuga. Se han introducido cálculos de balance de masa y momentum lineal de los sedimentos porosos saturados, la Ley Darcy-Gersevanov, y la solución analítica de descenso hidráulico para flujo sin régimen permanente dentro del acuífero no confinado con goteo para encontrar las nuevas soluciones. Los resultados analíticos indican que la relación no lineal entre la presión hidráulica inicial (h₀) y la función del pozo tiene efecto insignificante en el movimiento transitorio del acuífero cuando el descenso s < 0.02h₀. Cuando se simplifica la función del pozo en base a diferentes supuestos y condiciones de bombeo se reducen las nuevas soluciones a casos que son similares a el movimiento transitorio Hantush-Jacob, Muskat, y Theis de un acuífero confinado con goteo. Se encontró que las fugas grandes son importantes en la disminución del movimiento radial y en la reducción de la deformación del acuífero. La velocidad de flujo en el acuífero responde más a las fugas que al desplazamiento acumulativo dentro del acuífero. Pueden localizarse zonas y límites con esfuerzos tensionales usando el mismo enfoque aplicado a acuíferos confinados para evaluación de riesgo de generación de fracturas en el terreno.

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Development of a GIS-based model for extrapolating mesoscale groundwater recharge estimates using integrated geospatial data sets

A geographic information systems (GIS)-based model was used to derive spatially explicit estimates of recharge using the elevation-dependent chloride mass-balance (EDCMB) approach in a 14-basin area in southwestern Nevada, USA. For each of the 14 basins, a non-linear regression equation was developed relating chloride enrichment to the elevation of spring watersheds. The ratio of chloride enrichment as a function of elevation was used in a GIS framework to transform continuous precipitation data to recharge. Spatial masks that represented two definitions of the lower limits of recharge—one definition based on alluvium/non-alluvium boundaries, the other based on both alluvium/non-alluvium boundaries and an elevation threshold—were applied to each basin. Resultant recharge estimates were then summed for each basin. When compared to summaries of previous recharge estimates for the study area, the EDCMB approach produced results that were within 14 and 3% of two studies, but were significantly greater (31%) than a third. GIS proved to be a very effective tool for combining large spatial data with widely different resolutions into an integrated data set, and also proved to be an efficient mechanism for implementing robust statistical models to estimate recharge.

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Résumé Un modèle basé sur les systèmes d’informations géographiques (SIG) a été utilisé pour obtenir des estimations explicites de la recharge dans l’espace, en utilisant l’approche du bilan des chlorures en fonction de l’altitude (EDCMB en anglais) dans une zone de 14 bassins, dans le Sud-Ouest du Nevada aux Etats-Unis. Pour chacun des 14 bassins, une régression non-linéaire a été établie, reliant l’enrichissement des chlorures à l’altitude des bassins d’alimentation des sources. Le rapport d’enrichissement des chlorures en fonction de l’altitude a été utilisé dans une approche SIG pour transformer des données pluviométriques continues en terme de recharge. Des masques spatiaux représentant deux définitions des limites de recharge les plus basses ont été appliquées à chaque bassin ; l’une basée sur les limites alluvions/autres formations, l’autre sur ces mêmes limites ainsi que sur un seuil altitudinal. Les recharges estimées résultantes ont ensuite été additionnées pour chaque bassin. Comparée aux précédents bilans de recharge estimés dans la zone d’étude, l’approche EDCMB conduit à des résultats se situant entre 14 et 3% de ceux de deux autres études et largement supérieurs (31%) à ceux d’une troisième étude. Le SIG s’est révélé être un outil très efficace pour combiner dans une base de données intégrée, des données spatiales étendues avec des résolutions largement différentes, ainsi que pour implémenter des modèles statistiques conséquents permettant d’estimer la recharge.

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Resumen Se utilizó un modelo basado en un Sistema de Información Geográfico (SIG) para derivar espacialmente estimados explícitos de recarga usando el enfoque de balance de masa de cloruro dependiente de elevación (EDCMB) en un área de 14 cuencas en el suroeste de Nevada, Estados Unidos. Para cada una de las 14 cuencas se desarrolló una ecuación de regresión no linear que relaciona el enriquecimiento de cloruro con la elevación de las cuencas con manantiales. La relación de enriquecimiento de cloruro en función de la elevación se usó en un marco SIG para transformar datos continuos de precipitación a recarga. Se aplicaron máscaras espaciales a cada cuenca las cuales representaron dos definiciones de los límites inferiores de recarga, una definición basada en límites de aluvión/sin aluvión, el otro basado en ambos límites aluvión/sin aluvión y una elevación normal de fondo. Los estimados resultantes de recarga fueron sumados para cada cuenca. Al compararse con estimados de recarga previos para el área de estudio se encontró que el enfoque EDCMB produjo resultados que estaban entre el 14 y 3% de dos estudios pero fueron significativamente mayores (31%) que un tercer estudio. El SIG ha demostrado ser una herramienta muy efectiva para combinar datos espaciales grandes con resoluciones muy distintas en un grupo integrado de datos y también ha mostrado ser un mecanismo eficiente para implementar modelos estadísticos robustos para estimar recarga.

     

Hydrogeology of the Winnipeg Formation in Manitoba, Canada

The Winnipeg Formation is the basal sedimentary unit throughout much of southern and central Manitoba, Canada, where it forms a regional aquifer over most of its extent. This aquifer is an important source of water in southeastern Manitoba and in Manitoba’s Interlake area, but in most other areas, groundwater within the aquifer is saline. Chemical and isotopic evidence indicate the presence of groundwaters of three different origins: (1) basin brines; (2) modern meteoric recharge; and (3) subglacial recharge that occurred during the late Pleistocene. Hydraulic head and sedimentary facies distributions indicate that the flow system in parts of the area is not in a state of equilibrium and saline waters will encroach on areas currently occupied by freshwater in some areas, while in other areas, freshwater will replace saline water. These features must be considered in groundwater resource management, as groundwater withdrawals will likely hasten these processes.

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Resumen La Formación Winnipeg es la unidad sedimentaria basal en la mayor parte de Manitoba central, Canadá, donde forma un acuífero regional en la mayor parte de su extensión. Este acuífero es una fuente importante de agua en el Sureste de Manitoba y el área de entrelagos de Manitoba, pero en la mayoría de las otras zonas del acuífero, el agua es salina. Las evidencias químicas e isotópicas indican que existen aguas subterráneas de tres orígenes diferentes: (1) salmueras de cuenca; (2) recarga meteórica actual; y (3) recarga subglacial ocurrida durante el Pleistoceno Superior. Los niveles piezométricos y la distribución de las facies sedimentarias indican que el sistema de flujo no se encuentra en estado de equilibrio en parte del área y las aguas salinas irán invadiendo áreas actualmente ocupadas con aguas dulces, mientras que en otras zonas el agua dulce está reemplazando al agua salina. Estos hechos deben ser considerados en la gestión de las aguas subterráneas como recurso, ya que las extracciones de agua acelerarán probablemente estos procesos.

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Résumé La Formation de Winnipeg est l’unité sédimentaire de base sur la plus grande partie du Sud et du centre du Manitoba au Canada, où elle forme un aquifère régional sur pratiquement toute son extension. Cet aquifère représente une ressource en eau importante dans le Sud-Est du Manitoba et dans les zones d’entre les lacs, mais salée dans la plus part des autres zones. Les indications isotopiques et chimiques permettent de distinguer trois différentes origines des eaux souterraines: (1) les saumures de bassin; (2) la recharge météoritique moderne; (3) la recharge sub-glaciaire qui est apparue durant le Pléistocène récent. Les charges hydrauliques et la distribution des faciès sédimentaires indiquent que le système d’écoulement dans certaines zones n’est pas dans un état d’équilibre et que les eaux salées empièteront sur des zones d’eau douce, tandis que dans d’autres zones l’eau douce remplacera les eaux salées. Ces aspects doivent être considérés dans la gestion des ressources en eau souterraine, car le prélèvement des eaux souterraines pourrait accentuer ces processus.

     

A simple daily soil–water balance model for estimating the spatial and temporal distribution of groundwater recharge in temperate humid areas

Quantifying the spatial and temporal distribution of natural groundwater recharge is usually a prerequisite for effective groundwater modeling and management. As flow models become increasingly utilized for management decisions, there is an increased need for simple, practical methods to delineate recharge zones and quantify recharge rates. Existing models for estimating recharge distributions are data intensive, require extensive parameterization, and take a significant investment of time in order to establish. The Wisconsin Geological and Natural History Survey (WGNHS) has developed a simple daily soil–water balance (SWB) model that uses readily available soil, land cover, topographic, and climatic data in conjunction with a geographic information system (GIS) to estimate the temporal and spatial distribution of groundwater recharge at the watershed scale for temperate humid areas. To demonstrate the methodology and the applicability and performance of the model, two case studies are presented: one for the forested Trout Lake watershed of north central Wisconsin, USA and the other for the urban-agricultural Pheasant Branch Creek watershed of south central Wisconsin, USA. Overall, the SWB model performs well and presents modelers and planners with a practical tool for providing recharge estimates for modeling and water resource planning purposes in humid areas.

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Resumen La cuantificación de la distribución espacial y temporal de la recarga natural de agua subterránea es un requisito previo para una modelación y una gestión efectivas de las aguas subterráneas. Dado que se está incrementando el uso de los modelos de flujo para la toma de decisiones de gestión, existe una necesidad creciente de métodos simples y prácticos para delimitar las zonas de recarga y cuantificar los rangos de la misma. Los modelos existentes para la estimación de la distribución de la recarga requieren datos intensivos, una parametrización extensiva y una inversión de tiempo significativa para ser establecidos. El Servicio Geológico y de Historioa Natural de Wisconsin (WGNHS) ha desarrollado un modelo simple de balance diario de agua en el suelo (SWB) que usa de forma sencilla datos disponibles de suelo, de cobertera, topográficos y climáticos conjuntamente con un Sistema de Información Geográfica (GIS) para estimar la distribución espacial y temporal de la recarga de aguas subterráneas a escala de cuenca para zonas templadas húmedas. Para demostrar la metodología, aplicabilidad y el comportamiento del modelo, se presentan dos casos: uno en la cuenca boscosa de Trout Lake, en la zona Norte-Central de Wisconsin, USA y el otro en la Cuenca urbano-agrícola de Pheasant Branch Creek, Sur-Centro de Winconsin, USA. En conjunto, el modelo SWB funciona bien y presenta a los modeladores y planificadores una herramienta práctica para llevar a cabo una estimación de la recarga para propósitos de modelación y planificación de los recursos de agua en zonas húmedas.

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Résumé Quantifier les distributions temporelle et spatiale de la réalimentation naturelle des eaux souterraines est en règle générale un préalable à une modélisation et une gestion efficaces des eaux souterraines. Etant donné que les modèles numériques sont utilisés de manière croissante dans les prises de décisions en matière de gestion, il existe un besoin accru pour des méthodes simples et pratiques, afin de délimiter les zones d’alimentation et de quantifier les recharges associées. Les modèles existants, destinés à l’estimation de la répartition des réalimentations, demandent énormément de données, un paramétrage long, et un investissement conséquent en temps de mise en œuvre. Le Wisconsin Geologic and Natural History Survey (WGNHS) a développé un modèle simple basé sur un bilan en eau quotidien dans les sols (SWB); il utilise les données directement disponibles sur les sols, l’occupation des sols, la topographie et le climat, en conjonction avec un Système d’Information Géographique, afin d’estimer les distributions temporelle et spatiale de la réalimentation des eaux souterraines à l’échelle du bassin versant, pour les zones humides tempérées. Afin de démontrer la méthodologie, l’applicabilité et les performances du modèle, deux applications sont présentées: la première sur le bassin versant boisé de Trout Lake au centre-nord du Wisconsin (Etats-Unis), et le second sur le bassin versant agricole et urbanisé de Pheasant Branch Creek au centre-sud du Wisconsin. Le modèle SWB se comporte globalement bien, et offre aux modélisateurs un outil fonctionnel pour estimer les réalimentations, dans le cadre de modélisations et de plans de gestion des ressources en eau souterraine dans les zones humides.

     

Modelling groundwater flow of the Trifa aquifer, Morocco

Trifa is the most productive agricultural plain of north-eastern Morocco. The development of agricultural activities during the last few decades has been mainly based on imported water for irrigation. However, irrigation requirements have become so large that groundwater is used as a secondary source to supply the agricultural and domestic water needs, causing a depletion of the groundwater resources, especially during dry periods. A hydrological and a hydrogeological model for the Trifa plain have been developed, which yield information on relevant parameters such as groundwater recharge, and estimate the amount of pumped groundwater needed to meet the irrigation needs. The models (MODFLOW and WetSpass) provide insight into the status and evolution of the groundwater reserves. The results of the study are useful to predict the sustainability of the groundwater resources in the Trifa plain and to evaluate possible management actions. A reduction in groundwater abstraction by at least 25% may be necessary to achieve sustainable conditions.

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Resumen Trifa es la planicie agrícola más productiva del noreste de Marruecos. El desarrollo de las actividades agrícolas durante las últimas décadas se ha basado principalmente en agua importada para riego. Sin embargo, los requerimientos de riego han llegado a ser tan grandes ocasionando que se utilice el agua subterránea como una fuente secundaria para abastecer las necesidades de agua para uso doméstico y agrícola, lo que causa un agotamiento de los recursos de agua subterránea, especialmente durante periodos secos. Se ha desarrollado un modelo hidrogeológico e hidrológico para la planicie Trifa el cual aporta información de parámetros relevantes tal como recarga de agua subterránea y estima la cantidad de agua subterránea que necesita bombearse para satisfacer las necesidades de riego. Los modelos (MODFLOW y WetSpass) aportan una idea acerca del estado actual y la evolución de las reservas de agua subterránea. Los resultados de este estudio son útiles para predecir la sostenibilidad de los recursos de agua subterránea en la planicie Trifa y para evaluar posibles acciones de gestión. Puede ser necesario reducir la explotación de agua subterránea en por lo menos 25% para alcanzar condiciones sostenibles.

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Résumé Trifa est la plaine agricole la plus productive du Nord-Est marocain. Le développement de l’activité agricole durant ces dernières décennies a essentiellement reposé sur l’irrigation. Néanmoins les besoins de l’irrigation sont devenus tels que l’eau souterraine est utilisée comme ressource secondaire, pour combler la demande en eau domestique et agricole, induisant un rabattement d’autant plus important durant les périodes sèches. Un modèle hydrologique et hydrogéologique de la plaine de Trifa a été développé sur base des paramètres les plus importants, tels la recharge, et permet d’estimer le pompage nécessaire des eaux souterraines pour combler les besoins de l’irrigation. Les modèles (MODFLOW et WetSpass) apportent une bonne connaissance de l’état et de l’évolution des réserves souterraines. Les résultats de l’étude sont utiles pour prédire la longévité des ressources et pour évaluer différents scénarios de gestion. Une réduction de l’extraction de 25% serait nécessaire pour atteindre un état durable.

     

Groundwater risk intensity mapping in semi-arid regions using optical remote sensing data as an additional tool

Due to semi-arid to arid climatic conditions, Jordan has limited groundwater resources. As a result of agricultural activities and untreated wastewater, most of the groundwater in the karstic areas is microbiologically contaminated. Groundwater vulnerability, hazards, and risk intensity were mapped (scale 1:50,000) at a test site near the Jordan Rift Valley. The mapping included the use of optical remote sensing to complement conventional data in areas with poor data. LANDSAT ETM+ data, and colour and panchromatic aerial photographs at different scales were incorporated using visual image interpretation and digital image processing. The applicability of the different remote sensing data sources is discussed and recommendations for their usage are given. Information derived from digital images offers new opportunities for vulnerability and hazard assessment, particularly when related to land use, vegetation cover, urbanisation and infrastructure. The resulting maps indicate clearly the vulnerable areas and the “hot spots” of potential contamination in the test site and form an important basis for integrated groundwater management studies and the long-term planning of protective measures. The application and transferability of the European vulnerability approach (COST Action 620) to the test site in Jordan proved to be good, in general, although modifications were necessary to suit local conditions.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorised users.

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Résumé La Jordanie ne dispose que de ressources limitées en eaux souterraines, étant donné le climat semi-aride à aride prévalant dans ce pays. La contamination microbiologique de la plupart des eaux souterraines des régions karstiques est due aux activités agricoles et l’absence de traitement des eaux usées. La vulnérabilité des eaux souterraines, et le danger et l’intensité du risque de leur contamination ont été cartographiés (à l’échelle de 1:50 000) pour un site d’étude situé près de la vallée du Rift du Jourdain. La cartographie inclut l’utilisation de données optiques de télédétection pour complémenter les sources de données conventionnelles, dans les zones où la couverture est déficiente. Des données de LANDSAT ETM+ et des photographies aériennes en couleur et panchromatiques à différentes échelles ont été incorporées en utilisant des méthodes d’interprétation visuelle et informatique de l’image. La qualité des différentes sources de données de télédétection est discutée et évaluée, et des recommandations pour leur utilisation sont suggérées. L’informations obtenue des images digitales offre de nouvelles opportunités pour l’évaluation des vulnérabilités et des dangers, surtout reliés à l’usage du sol, la couverture végétale, l’urbanisation et les diverses infrastructures. Les cartes ainsi obtenues indiquent clairement les zones vulnérables et les points critiques potentiels pour la contamination du site d’étude et forment une base importante pour l’étude de la gestion intégrée des eaux souterraines et pour la planification à long terme des mesures de protection. L’applicabilité de l’approche européenne de cartographie de la vulnérabilité et des risques (COST action 620) au site d’étude jordanien est généralement approprié, même si certaines modifications ont été nécessaires pour s’ajuster aux particularités régionales.

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Resumen Los recursos hídricos subterráneos en Jordania son limitados debido principalmente a su clima semi árido. En la mayoría de las áreas kársticas, las aguas subterráneas están contaminadas microbiológicamente a consecuencia de la actividad agrícola y de las aguas residuales. Por ello, se han realizado mapas de peligro, vulnerabilidad e intensidad del riesgo (a escala 1/50.000) de un área piloto próxima al Rift en Jordania. Los mapas han sido elaborados con el apoyo de técnicas de teledetección en aquellas zonas donde la información era escasa. Se han utilizado imágenes del LANDSAT ETM+ a y fotografía aérea, de color y pancromática, a diferentes escalas para el procesamiento de las imágenes digitales y la fotointerpretación. En este trabajo se discute y se dan recomendaciones sobre la aplicabilidad de las diferentes imágenes de satélite en los análisis de teledetección. Los datos que se pueden derivar de las imágenes digitales son un avance para la evaluación de la vulnerabilidad y los peligros de contaminación, particularmente aquellos referidos a usos del suelos, cubierta vegetal e infraestructuras urbanas. Los mapas resultantes muestran claramente la vulnerabilidad y los peligros potenciales de contaminación en la zona de estudio, lo que genera una importante base para los estudios de gestión integrada de las aguas subterráneas y de planificación de las medidas protectoras. La aplicabilidad de la aproximación europea a los estudios de vulnerabilidad en karst (COST Action 620) en la zona de estudio (Jordania) es buena, aunque fueron necesarias algunas leves modificaciones de la metodología para ajustarla a las condiciones locales.

     

Combining multivariate statistical analysis with geographic information systems mapping: a tool for delineating groundwater contamination

Multivariate Statistical Analysis (MSA) has successfully been coupled with geographic information system (GIS) mapping tools to delineate zones of aquifer contamination potential. While delineating contaminants is key to site remediation, it is often compromised by a poor understanding of hydrogeologic conditions, and by uncertainties in contaminant observations. MSA provides improved estimates of contamination potential by augmenting observed contaminant concentrations with auxiliary information from other water-quality parameters. GIS is useful for organizing and managing water-quality information by visually communicating large amounts of information. The proposed method first establishes appropriate areal extents, GIS coverages, and scales for displaying groundwater contamination concentrations of tritium and the volatile organic contaminants trichloroethylene (TCE) and tetrachloroethylene (PCE) at the Savannah River Site, South Carolina, USA. Principal components analysis is used to group variables that are most indicative of contamination potential. Tritium contamination potential is best represented as the combination of tritium with the cations Al, Mg, Na and total dissolved solids, while PCE contamination potential is predicted using PCE and Cl. Maps of contamination potentials for 1993–1995 geochemical data compare favorably with measured contaminant concentrations during 1999. Cluster analysis of water-quality data groups geochemical and contaminant concentrations into zones of homogeneous behavior.

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Resumen El Análisis Estadístico Multivariado (AEM) se ha acoplado con éxito con herramientas cartográficas del Sistema de Información Geográfico (SIG), para delinear zonas de potencial contaminación de acuíferos. En tanto que la delimitación de contaminantes es importante para recuperación del sitio, ella está a menudo amenazada por una comprensión pobre de las condiciones hidrogeológicas, y por las incertidumbres en las observaciones del contaminante. El AEM proporciona estimaciones mejoradas de contaminación potencial al aumentar las concentraciones observadas del contaminante, con la información auxiliar de otros parámetros de calidad de agua. El SIG es útil para organizar y manejar la información de calidad de agua, a través de la comunicación visual de cantidades grandes de información. El método propuesto establece primero magnitudes de área apropiadas, el área cubierta por el SIG, y las escalas para mostrar las concentraciones de contaminación del agua subterránea, a partir de tritio y de contaminantes orgánicos volátiles como tricloroetileno (TCE) y tetracloroetileno (PCE) en el sitio del Río al Savannah, Carolina del Sur, EE.UU. El análisis de componentes principales se usa para agrupar variables que son más indicativas de contaminación potencial. El potencial de contaminación Tritio, se representa mejor como la combinación de tritio con los cationes Al, Mg, Na y los sólidos disueltos totales, mientras la contaminación potencial de PCE se predice usando PCE y Cl. Los mapas de potenciales de contaminación para los datos geoquímicos de 1993–1995 se comparan favorablemente con las concentraciones medidas del contaminante durante 1999. El análisis de racimo hecho en datos de calidad de agua, agrupa concentraciones geoquímicas y concentraciones del contaminante en las zonas de comportamiento homogéneo.

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Résumé L’Analyse Statistique Multivariée (ASM) a été couplée avec succès avec les outils cartographiques des Sytèmes d’Information Géographique (SIG), afin de délimiter les zones à potentiel de contamination des aquifères. Alors que la connaissance de l’extension des contaminants est primordiale pour la réhabilitation des sites, elle est fréquemment compromise par une compréhension limitée du contexte hydrogéologique, et par les incertitudes sur l’observation des contaminants. L’ASM fournit une meilleure estimation du potentiel de contamination, en complétant les concentrations observées en contaminants par des informations annexes issues d’autres paramètres qualitatifs. Les SIG, par leurs capacités à conjuguer visuellement de grandes quantités d’information, sont utiles pour organiser et gérer les informations sur la qualité de l’eau. La première étape de la méthode proposée consiste à définir les limites spatiales appropriées, les couvertures SIG, ainsi que les échelles de visualisation des concentrations en contaminants des eaux souterraines, soit le tritium et les composés organiques volatiles trichloroéthylène et tetrachloroéthylène, sur le site de la rivière Savannah (Californie du Sud, USA). L’analyse en composantes principales est utilisée afin de regrouper les variables caractérisant de manière optimale le potentiel de contamination. Le potentiel de contamination en tritium est représenté le plus significativement par la combinaison du tritium, des cations Al, Mg et Na, et des solides dissous totaux (TDS). Le potentiel de contamination en tétrachloroéthylène est quant à lui estimé en utilisant le tetrachloroéthylène et Cl. Les cartes des potentiels de contamination établies sur les données géochimiques de la période 1993–1995 renvoient une image comparable aux concentrations en contaminants effectivement mesurées en 1999. Une analyse de groupement des données sur la qualité de l’eau rassemble les concentrations géochimiques et en contaminants dans des zones aux comportements homogènes.

     

Groundwater recharge,flow and hydrogeochemical evolution in a complex volcanic aquifer system,central Ethiopia

Hydrochemical, multivariate statistical and inverse hydrogeochemical modeling techniques were used to investigate groundwater recharge, flow and the hydrochemical evolution within the Akaki volcanic aquifer system, central Ethiopia. The hydrochemical and multivariate statistical techniques are mutually supportive and the extracted information was analyzed together with environmental isotope data. Results reveal five spatial groundwater zones with defined hydrochemical facies, residence times, stable isotopic signals and hydrochemical evolution. These zones are designated as the (1) Intoto, (2) central, (3) Filwuha fault, (4) south zones and (5) a highly polluted sub-sector identified within the central zone. Both the hydrochemical and multivariate statistical analyses have shown the central sub-sector as being spite of differentially polluted by , Cl⁻ and and its tritium content shows recent recharge. Due to the fact that the main recharge source is precipitation, the hydrochemical and environmental isotope data clearly indicated that the central and southern sectors are also recharged from domestic waste water and leakage from water mains and reservoirs. Inverse hydrogeochemical modeling demonstrated reactions of silicate minerals in a CO₂ open system and precipitation of kaolinite, chalcedony, and rare calcite satisfy the observed change in water chemistry from north to south following the regional flow direction.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé Des techniques relevant de l’hydrochimie, des statistiques multivariées et de la modélisation inverse hydrogéochimique, ont été utilisées dans le cadre de l’étude de la recharge des eaux souterraines, de l’écoulement et de l’évolution hydrochimique dans le système volcanique aquifère d’Akaki au centre de l’Ethiopie. Les techniques hydrochimiques et multivariées se supportent mutuellement et l’information extraite a été analysée avec les données isotopiques environnementales, des temps de résidence, des signaux isotopiques stables et une évolution hydrochimique. Ces zones ont été désignées comme le (1) Intoto, (2) le centre, (3) la faille de Filwuha, (4) les zones sud et (5) un sous-secteur fortement pollué identifié dans la zone centrale. Les analyses statistiques hydrochimiques et multivariées ont montré que le sous-secteur central a été différemment pollué par , Cl⁻ et , tandis que la teneur en tritium montre une recharge récente. Malgré le fait que la principale source de recharge soit les précipitations, les données hydrochimiques et isotopiques indiquent clairement que les secteurs centres et sud sont également rechargés par les eaux usées domestiques et les fuites de réservoirs et canalisations d’eau. La modélisation hydrogéochimique inverse a démontré les réactions des minéraux silicatés dans un système ouvert au CO₂, et la précipitation de kaolinite, de calcédoine, et la rareté de la calcite satisfont les changements observés dans la chimie de l’eau du nord vers le sud en suivant la direction régionale de l’écoulement.

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Resumen Se utilizaron la hidroquímica y técnicas de modelación hidrogeoquímica inversa y estadística multivariada, para investigar la recarga del agua subterránea, el flujo y la evolución hidroquímica, dentro del sistema acuífero volcánico Akaki, Etiopía Central. La hidroquímica y las técnicas estadísticas multivariadas se complementan entre si y la información así extraída se analizó junto con los datos de isótopos ambientales. Los resultados revelan cinco zonas diferentes de agua subterránea, con facies hidroquímicas, tiempos de residencia, improntas isotópicas estables y una evolución hidroquímica definidas. Estas zonas se designan como (1) Intoto, (2) Central, (3) Falla de Filwuha, (4) las Zonas del sur y (5) un sub-sector altamente contaminado identificado dentro de la zona central. Tanto los análisis estadísticos multivariados como la hidroquímica, han mostrado al sub-sector central como contaminado diferencialmente por , Cl⁻ y y su contenido de tritio muestra una recarga reciente. A pesar del hecho que la fuente principal de recarga es la precipitación, los datos de hidroquímica y de isótopos ambientales indican que los sectores central y del sur, también se recargan a partir de agua doméstica usada y del goteo de las conducciones del acueducto y de sus reservorios. El modelamiento hidrogeoquímico inverso demostró reacciones de minerales silicatados en un sistema de CO₂ abierto, y la precipitación de caolinita, calcedonia, y rara vez de calcita, satisfacen el cambio observado en la química de agua del norte a sur, siguiendo la dirección del flujo regional.

     

Spatial assessment of groundwater use potential for irrigation in Teesta Barrage Project in Bangladesh

In Bangladesh, development of the groundwater resource for irrigation is a vital component of the government’s agricultural strategy to attain food self-sufficiency. Amidst reports of falling groundwater levels in many parts of Bangladesh, the potential of groundwater use has been investigated in the Teesta Barrage Project (TBP) in which large-scale groundwater development for dry-season irrigation has taken place in the recent past. Several techniques and tools have been applied such as the combination of analysis of groundwater hydrographs and mathematical modelling to derive key hydrogeological variables, calculation of net irrigation requirement and the use of geographical information systems. The results show that the economically attractive high-yielding variety (HYV) Boro (dry season) rice cultivation during the groundwater irrigation season may not be sustained in large parts of the project area if the current trends in abstraction are continued. However, due to spatial variation in abstraction, nine thanas (sub-districts)—out of a total of 21 in the project area—may still be able to expand groundwater-irrigated cropland and a groundwater-use potential of 40 mm/year may be created if deep-set shallow tubewells are used by the farmers to abstract groundwater. A structured approach, based on zoning of potential areas, is recommended for groundwater development and use.

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Resumen En Bangladesh, el desarrollo de las aguas subterráneas para riego es un componente vital del la estrategia agrícola del Gobierno para obtener la auto-suficiencia alimentaria. Un informe intermedio evidencia un descenso de los niveles de aguas subterráneas en muchas partes de Bangladesh, el uso potencial de aguas subterránea ha sido investigado en el Proyecto Tessta Barrage (TBP) en el cual ha tenido lugar el desarrollo de las aguas subterráneas a gran escala para el riego en la estación seca en un pasado reciente. Se ha aplicado algunas técnicas y herramientas, como la combinación del análisis de datos gráficos de aguas subterráneas y modelización matemática para obtener variables hidrogeológicas clave, el cálculo de la necesidad neta de riego y el uso de Sistemas de Información Geográfica. El resultado muestra que el cultivo, económicamente atractivo, de arroz HYV Boro (estación seca) durante la estación de riego con aguas subterráneas puede no ser sostenible en gran parte del área del proyecto si continúan las tendencias actuales en las extracciones. Sin embargo, debido a la variación espacial en la extracción, nueve thanas (subdistritos)—de un total de 21 en el área del Proyecto—pueden todavía sufrir un aumento de la tierra cultivable regada con aguas subterráneas y que se puede asumir un uso potencial de agua subterránea de 40 mm/estación si los granjeros utilizan sondeos someros instalados en fosas para la extracción. Se recomienda una aproximación estructurada para el desarrollo y uso de las aguas subterráneas, basada en la zonificación de áreas potenciales.

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Résumé Au Bangladesh, l’exploitation des ressources en eau souterraines pour l’irrigation est une composante vitale de la stratégie agricole gouvernementale pour atteindre l’auto-suffisance alimentaire. Parmi les baisses de niveaux piézométriques rapportées sur de nombreuses régions du Bangladesh, le potentiel d’utilisation des eaux souterraines a été étudié sur le Projet de Barrage de Teesta (TBP), où, dans un passé récent, les eaux souterraines ont été massivement exploitées pour l’irrigation en saison sèche. De nombreux outils et techniques ont été utilisés, comme l’analyse combinée des chroniques piézométriques et des modèles mathématiques pour dégager les variables hydrogéologiques clés, le calcul des besoins nets pour l’irrigation, et l’utilisation des systèmes d’information géographique. Les résultats démontrent que la culture en saison d’irrigation de la variété de riz HYV Boro (saison sèche), économiquement attrayante, n’est potentiellement pas viable sur de nombreux secteurs de la zone étudiée si les prélèvements perdurent selon la tendance actuelle. Cependant, du fait de la variation spatiale des prélèvements, neuf thanas (sous-districts)—sur un total de 21 sur le secteur d’étude—pourraient encore augmenter les surfaces irriguées, et une disponibilité en eau de 40 mm/saison pourrait être générée si les agriculteurs utilisaient des puits peu profonds pour exploiter les ressources souterraines. Une approche structurée, basée sur le zonage des secteurs potentiels, est recommandée pour l’exploitation et l’utilisation des eaux souterraines.

     

The hydrochemical characteristics and evolution of groundwater and surface water in the Heihe River Basin, northwest China

A combination of isotopic and chemical indicators has been used to characterize rainfall, surface water and groundwater in the Heihe River Basin, China. Surface- vs. groundwater chemistry data enabled geographical zones and chemical types to be differentiated. The dissolution of halite, Glauber’s salt, gypsum, dolomite and calcite determine Na⁺, Cl^?, Mg²⁺, Ca²⁺, $ {\text{SO}}^{{2 - }}_{4} A combination of isotopic and chemical indicators has been used to characterize rainfall, surface water and groundwater in the Heihe River Basin, China. Surface- vs. groundwater chemistry data enabled geographical zones and chemical types to be differentiated. The dissolution of halite, Glauber’s salt, gypsum, dolomite and calcite determine Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, Ca²⁺, and chemistry, but other processes such as evaporation, ion exchange, and deposition also influence the water composition. The majority of deep confined groundwaters are tritium-free and less mineralized than in the shallow aquifer. Radiocarbon values in the deeper groundwaters range from 18.8 to 38.9 pmc, and 80 pmc probably represents the upper limit of initial ¹⁴C activity; this yields ages of approximately 5,960–11,971 years BP, which is about 3,000 years older than those calculated by models in previous work. The shallow aquifer exhibits fairly high and variable tritium activities (4–75 TU), evidence of recent recharge and low residence time (<60 years), which is in line with estimates from previous work. Isotopic signatures indicate formation of deeper groundwaters in a colder and wetter climate during the late Pleistocene and Holocene. The results suggested that significant changes are urgently needed in water-use strategy to achieve sustainable development.

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Résumé Une combinaison de plusieurs indicateurs isotopiques et chimiques a été utilisée dans le but de caractériser les précipitations, les eaux de surface et les eaux souterraines dans le Bassin de la Rivière Heihe, en Chine. La confrontation des chimies des eaux souterraines et de surface a permis de différentier plusieurs secteurs géographiques et faciès chimiques. Les compositions chimiques en Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, Ca²⁺, et sont déterminées par la dissolution de la halite, du sel de Glauber, du gypse, de la dolomite et de la calcite, mais d’autres processus peuvent également avoir une influence, comme l’évaporation, les échanges de bases et la sédimentation. La majorité des eaux souterraines captives profondes ne contiennent pas de tritium, et sont moins minéralisées que dans l’aquifère superficiel. Les valeurs de carbone 14 dans l’aquifère le plus profond sont comprises entre 18.8 et 38.9 pcm, pour une valeur maximum probable d’activité initiale de 80 pcm; les ages estimés correspondants sont compris entre 5,960 et 11,971 ans, soit environ 3,000 ans de plus que ceux calculés auparavant par les modèles. L’aquifère superficiel présente des activités tritium plut?t élevées et variables (4 à 75 UT), démontrant l’existence d’une alimentation récente et d’un temps de résidence faible (<60 ans), ce qui concorde avec les études antérieures. Les signatures isotopiques indiquent une alimentation des eaux souterraines les plus profondes au cours d’épisodes climatiques plus froids et plus humides qu’actuellement, à la fin du Pléistocène et à l’Holocène. Les résultats suggèrent que des changements significatifs dans la planification des usages de l’eau sont nécessaires et urgents dans des perspectives d’exploitation durable.

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Resumen Se ha utilizado una combinación de indicadores isotópicos y químicos para caracterizar la precipitación, el agua superficial y el agua subterránea en la Cuenca del Río Heihe, China. Los datos químicos de aguas superficiales frente a las subterráneas no permiten diferenciar zonas geográficas y tipos químicos. La disolución de halita, sal de Glauber, yeso, dolomita y calcita determina la química de Na⁺, Cl⁻, Mg²⁺, Ca²⁺, y , pero otros procesos, como evaporación, intercambio de iones y precipitación influyen también en la composición del agua. La mayoría de las aguas subterráneas profundas confinadas no tienen Tritio y están menos mineralizados que el acuífero superficial. Los valores de radiocarbono en las aguas subterráneas más profundas oscilan entre 18.8 y 38.9 pmc, y el valor de 80 pmc representa probablemente el límite superior de la actividad inicial de ¹⁴C; proporcionando edades de aproximadamente 5,960–11,971 a?os BP, que son unos 3,000 a?os más antiguas de las calculadas mediante modelización en trabajos previos. El acuífero superficial tiene actividades de tritio bastante más altas y variables (4–75 UT), evidenciando una recarga reciente y unos tiempos de residencia bajos (<60 a?os), lo cual está en la línea de lo estimado en trabajos previos. Los datos isotópicos apuntan a la formación de aguas subterráneas más profundas en un clima más frío y húmedo durante el Pleistoceno superior y el Holoceno. Los resultados sugieren que se necesita hacer cambios significativos en la estrategia de uso del agua para alcanzar un desarrollo sostenible.

     

Roughness control on hydraulic conductivity in fractured rocks

The influence of joint roughness on the typologies of fluid flow inside fractures is well known and, thanks to experiences in the field of hydraulics, it has been studied from both a physical and mathematical point of view. Nevertheless, the formulations adopted by traditional hydraulic models are hardly applicable in the geological field, because of the difficulty encountered in the roughness parameter estimation. Normally this parameter can be estimated using the joint roughness coefficient (JRC), which considers both the asperity height and its regularity and directional trend. The main advantage in using the JRC arises from the fact that it can easily be obtained from geological-technical surveys and from comparison with the standard Barton profiles. Some relationships have been built up that allow for the estimation of the hydraulic conductivity tensor (an essential parameter for understanding water flow in fractured rock masses), not only as a function of traditional parameters like aperture, spacing, dip and dip direction, etc., but also of joint roughness, precisely expressed in terms of the roughness coefficient. These relationships have been studied initially from a theoretical point of view and then practically, through laboratory investigations.

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Resumen  Se conoce muy bien la influencia de la rugosidad de las grietas en las tipologías del flujo de fluidos a lo interior de las fracturas y gracias a las experiencias en el campo de hidráulica ha sido posible estudiarla desde puntos de vista matemáticos y físicos. Sin embargo, las formulaciones adoptadas por los modelos hidráulicos tradicionales tienen poca aplicabilidad en el campo geológico debido a la dificultad relacionada con la estimación del parámetro de rugosidad. Normalmente este parámetro puede estimarse usando el coeficiente de rugosidad de grieta (JRC) el cual considera tanto la altura de la aspereza como su regularidad y tendencia direccional. La principal ventaja de utilizar el JRC se deriva del hecho que puede obtenerse fácilmente de levantamientos técnico-geológicos y de la comparación con los perfiles Standard Barton. Se han construido algunas relaciones que permiten la estimación del tensor de conductividad hidráulica (un parámetro esencial para el entendimiento del flujo de agua en masas de roca fracturadas), no solo en función de parámetros tradicionales como apertura, espaciado, buzamiento y dirección de buzamiento, etc., sino también en función de la rugosidad de la grieta estimada con precisión en términos del coeficiente de rugosidad. Estas relaciones se han estudiado inicialmente desde un punto de vista teórico y luego de modo práctico a través de investigaciones de laboratorio.

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Résumé  L’influence de la rugosité des joints sur les types d’écoulement de fluide dans les fractures est bien connue et a été étudiée aussi bien du point de vue physique que mathématique grace à des expériences menées dans le domaine de l’hydraulique. Cependant les formulations adoptées dans les modèles hydrauliques traditionnels sont difficilement applicables dans le domaine de la géologie à cause de la difficulté rencontrée pour estimer la rugosité. Ce paramètre peut normalement être apprécié grace au coefficient de rugosité du joint (JRC), lequel prend en compte à la fois la hauteur de l’aspérité ainsi que sa régularité et sa direction. Le principal avantage dans l’utilisation du JRC réside dans le fait qu’il peut facilement être obtenu à partir d’études techniques-géologiques et par comparaison avec la classification de Barton. Des relations qui permettent une estimation du tenseur de conductivité hydraulique (un paramètre essentiel pour comprendre l’écoulement de l’eau dans les masses rocheuses fracturées) ont été élaborées, pas seulement en fonction de paramètres traditionnels tels que l’ouverture, l’espacement, l’inclinaison et la direction d’inclinaison, etc , mais aussi en prenant en compte la rugosité des joints à travers le coefficient de rugosité. Ces relations ont initialement été étudiées d’un point de vue théorique puis expérimentalement à travers des recherches en laboratoire.

     

Optimization of the DRASTIC method for groundwater vulnerability assessment via the use of simple statistical methods and GIS

The assessment of groundwater vulnerability to pollution has proved to be an effective tool for the delineation of protection zones in areas affected by groundwater contamination due to intensive fertilizer applications. By modifying and optimizing the well known and widely used DRASTIC model it was possible to predict the intrinsic vulnerability to pollution as well as the groundwater pollution risk more accurately. This method incorporated the use of simple statistical and geostatistical techniques for the revision of the factor ratings and weightings of all the DRASTIC parameters under a GIS environment. The criterion for these modifications was the correlation coefficient of each parameter with the nitrates concentration in groundwater. On the basis of their statistical significance, some parameters were subtracted from the DRASTIC equation, while land use was considered as an additional DRASTIC parameter. Following the above-mentioned modifications, the correlation coefficient between groundwater pollution risk and nitrates concentration was considerably improved and rose to 33% higher than the original method. The model was applied to a part of Trifilia province, Greece, which is considered to be a typical Mediterranean region with readily available hydrogeological and hydrochemical data.

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Resumen La evaluación de vulnerabilidad del agua subterránea a la contaminación ha demostrado ser una herramienta efectiva para la delimitación de zonas de protección en áreas afectadas por contaminación de aguas subterráneas debido a aplicaciones intensivas de fertilizantes. Mediante la modificación y optimización del bien conocido y ampliamente utilizado modelo DRASTIC fue posible predecir la vulnerabilidad intrínseca a la contaminación así como el riesgo a la contaminación del agua subterránea con mayor precisión. Este método incorporó el uso de técnicas estadísticas y geoestadísticas simples para la revisión del pesaje y establecimiento de rangos de factores de todos los parámetros DRASTIC bajo un ambiente SIG. El criterio para estas modificaciones fue el coeficiente de correlación de cada parámetro con las concentraciones de nitraros en agua subterránea. En base al grado significativo estadístico algunos parámetros fueros sustraídos de la ecuación DRASTIC, mientras que se consideró el uso de la tierra como un parámetro adicional de DRASTIC. Siguiendo las modificaciones antes mencionadas se mejoró considerablemente el coeficiente de correlación entre el riesgo a la contaminación del agua subterránea y las concentraciones de nitratos incrementando en 33% su valor en relación al método original. El modelo se aplicó en una parte de la provincia Trifilia, Grecia, la cual se considera ser una región Mediterránea típica con datos hidroquímicos e hidrogeológicos fácilmente disponibles.

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Résumé L’évaluation de la vulnérabilité des eaux souterraines à la pollution a montré qu’elle est un outil efficace pour délimiter les zones de protection dans les zones affectées par la contamination des eaux souterraines due à l’utilisation intensive de fertilisants. En modifiant et optimisant le modèle DRASTIC, bien connu et souvent utilisé, il a été possible de prédire la vulnérabilité intrinsèque à la pollution, et de définir plus précisément le risque de pollution. Cette méthode incorpore l’utilisation de simples techniques statistiques et géostatistiques, pour la révision des facteurs d’estimation et de pondération de tous les paramètres de DRASTIC sous S.I.G. Le critère de ces modifications était le coefficient de corrélation de chaque paramètre avec la concentration en nitrates dans les eaux souterraines. Sur la base de leur signification statistique, certains paramètres ont été soustraits de l’équation DRASTIC. Suivant les modifications mentionnées ci-dessus, le coefficient de corrélation entre les concentrations en nitrate et le risque de pollution des eaux souterraines a été considérablement amélioré de 33% par rapport à la méthode originale. Le modèle a été appliqué sur une partie de la province de Trifilia en Grèce, qui est considérée comme une région typiquement méditerranéenne avec des données hydrogéologiques et hydrochimiques aisément accessibles.

     

Simulating the impacts of groundwater pumping on stream–aquifer dynamics in semiarid northwestern Oklahoma,USA

Visual MODFLOW, a numerical groundwater flow model, was used to evaluate the impacts of groundwater exploitation on streamflow depletion in the Alluvium and Terrace aquifer of the Beaver-North Canadian River (BNCR) in northwestern Oklahoma, USA. Water demand in semi-arid northwestern Oklahoma is projected to increase by 53% during the next five decades, driven primarily by irrigation, public water supply, and agricultural demand. Using MODFLOW’s streamflow routing package, pumping-induced changes in baseflow and stream leakage were analyzed to estimate streamflow depletion in the BNCR system. Simulation results indicate groundwater pumping has reduced baseflow to streams by approximately 29% and has also increased stream leakage into the aquifer by 18% for a net streamflow loss of 47%. The magnitude and intensity of streamflow depletion, however, varies for different stream segments, ranging from 0 to 20,804 m³/d. The method provides a framework for isolating and quantifying impacts of aquifer pumping on stream function in semiarid alluvial environments.

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Résumé  Visual MODFLOW, un modèle numérique d’écoulement des eaux souterraines, a été utilisé pour évaluer les impacts de l’exploitation de l’eau souterraine sur la réduction du régime de la rivière dans un aquifère d’alluvions et de terrasse de la Rivière canadienne Beaver-North (BNCR) au nord-ouest de l’Oklahoma, aux USA. La demande d’eau dans le nord-ouest semi-aride de l’Oklahoma devrait augmenter de 53% durant les cinq prochaines décennies, essentiellement du fait de l’irrigation, la demande en eau potable et la demande agricole. En utilisant le module numérique traitant les rivières dans MODFLOW, les changements sur le régime de base des cours d’eau induits par le pompage et la recharge par la rivière ont été analysés pour estimer la réduction du régime de la rivière du système BNCR. Les résultats de la simulation indiquent que le pompage de l’eau souterraine réduit le débit de base de la rivière de 18% pour une perte nette du débit de la rivière de 47%. L’importance et l’intensité de la réduction du débit de base, toutefois, varie selon le bief, de 0 à 20,840 m³/d. La méthode apporte un cadre pour isoler et quantifier les impacts sur le pompage de l’aquifère sur le fonctionnement de la rivière dans un environnement alluvial semi-aride.

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Resumen  El Visual MODFLOW, que es un modelo numérico de flujo de agua subterránea, fue usado para evaluar los impactos de la explotación del agua subterránea, en la disminución de la cantidad de flujo de una corriente superficial, relacionada al acuífero del aluvión y de la terraza del Río canadiense Beaver-North (BNCR) en Oklahoma del noroeste, EUA. Se proyecta que la demanda de agua aumentará en un 53%, en el sector semiárido de Oklahoma del noroeste, durante las próximas cinco décadas, principalmente debido a la irrigación, suministro de agua público, y la demanda agrícola. Mediante el uso del paquete especial para relaciones corriente superficial- acuífero (SFR) de MODFLOW, se analizaron cambios inducidos por el bombeo, tanto en el flujo base, como en el goteo del río, para estimar la disminución del flujo de la corriente en el sistema de BNCR. Los resultados de la simulación indican, que el bombeo de agua subterránea ha reducido el flujo base a los arroyos aproximadamente en un 29% y también ha aumentado el goteo del arroyo hacia el acuífero en 18%, resultando una pérdida neta del flujo del río de un 47%. La magnitud e intensidad de la disminución del flujo del río, sin embargo, varía en sus diferentes segmentos, oscilando de 0 a 20,804 m³/d. El método suministra un marco, para aislar y cuantificar los impactos del bombeo del acuífero, sobre el funcionamiento de una corriente superficial en los ambientes aluviales semiáridos.

     

Use of geochemical modeling to evaluate the hydraulic connection of aquifers: a case study from Chianan Plain, Taiwan

Aquifers are generally composed of highly permeable layers that can conduct a considerable amount of groundwater. Traditionally, aquifer units are correlated through the concept of lithostratigraphy. For low-permeable aquifers, it is difficult to define the spatial distribution of hydrogeological units, and this study attempts to use geochemical modeling to identify the groundwater flow paths in an area of Taiwan. Multiple geochemical analyses, including groundwater chemistry; stable isotopic compositions of hydrogen, oxygen and carbon; and radiocarbon contents were performed. Using these parameters as the constraints of geochemical models, the hydraulic connection was examined between pairs of possibly interlinked wells along four selected cross sections, and the conceptual groundwater model was accordingly established. The resultant model suggests that the hydraulic connection between aquifers should be correlated with the concept of chronological stratigraphy, especially for low-permeable, unconsolidated aquifers. Using Darcy’s law, the hydraulic conductivities of the fine-sand aquifers were estimated to be between 3.14 × 10⁻⁵ and 1.80 × 10⁻⁴ m/s, which are roughly one order of magnitude higher than those derived by in situ pumping tests. The substantial extraction of groundwater over a long period in the studied area could accelerate groundwater flow, leading to an overestimation of the aquifer permeability.

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Electronic supplementary material The online version of this article (doi:) contains supplementary material, which is available to authorized users.

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Résumé En règle générale, les aquifères sont constitués de couches très perméables capables de conduire des quantités d’eau considérables. Les unités aquifères sont traditionnellement corrélées d’un point de vue lithostratigraphique. Dans le cas des aquifères à faible perméabilité, il s’avère difficile de définir une distribution spatiale des unités hydrogéologiques, et cette étude tente d’utiliser la modélisation géochimique pour identifier les cheminements des eaux souterraines dans un secteur de Taiwan. Plusieurs analyses géochimiques ont été réalisées ; elles incluent la chimie des eaux souterraines, les isotopes stables de l’hydrogène, de l’oxygène et du carbone et l’abondance en carbone 14. En utilisant ces paramètres comme contraintes pour les modèles géochimiques, les liaisons hydrauliques entre les puits potentiellement interconnectés ont été étudiées deux par deux, le long de quatre coupes présélectionnées, et le modèle conceptuel a été établi en conséquence. Ce modèle résultant suggère que les connexions hydrauliques inter-aquifères devraient être corrélées avec les concepts stratigraphiques, surtout pour les aquifères non consolidés à faible perméabilité. Les perméabilités dans les aquifères de sables fins ont été estimées par la loi de Darcy entre 3.14 × 10⁻⁵ et 1.80 × 10⁻⁴ m/s, soit environ un ordre de grandeur au-dessus de celles issues des tests de pompage sur site. L’exploitation substantielle des eaux souterraines sur une longue période dans la zone d’étude peut accélérer les écoulements souterrains, menant à une surestimation de la perméabilité de l’aquifère.

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Resumen Los acuíferos están generalmente compuestos de capas muy permeables que pueden conducir una cantidad considerable de agua subterránea. Tradicionalmente, se ponen en correlación las unidades acuíferas a través del concepto de litoestratigrafía. Para los acuíferos de baja-permeabilidad, es difícil de definir la distribución espacial de unidades hidrogeológicas y este estudio intenta usar modelamiento geoquímico para identificar las direcciones del flujo de agua subterránea en un área de Taiwán. Se realizó el análisis geoquímico múltiple, incluyendo la química del agua subterránea, la composición de isótopos estables de hidrógeno, oxígeno y carbono, y el contenido de radiocarbono. Usando estos parámetros como limitantes de modelos geoquímicos, la conexión hidráulica se examinó entre pares de pozos posiblemente interrelacionados, a lo largo de cuatro cortes transversales seleccionados y de acuerdo con esto se estableció el modelo conceptual del agua subterránea. El modelo resultante sugiere que la conexión hidráulica entre los acuíferos deba interrelacionarse con el concepto de estratigrafía cronológica, sobre todo para los acuíferos sin consolidar de baja permeabilidad. Usando la ley de Darcy, se estimaron las conductividades hidráulicas de los acuíferos de arena fina obteniendo valores entre 3.14 × 10⁻⁵ y 1.80 × 10⁻⁴ m/s, las cuales son aproximadamente un orden de magnitud mayor, que aquéllos obtenidos in situ por las pruebas de bombeo. La extracción considerable de agua subterránea durante un periodo largo en el área estudiada, podría acelerar el flujo de agua subterránea, llevando a una sobrestimación de la permeabilidad en los acuíferos.