A local-scale groundwater flow model for groundwater resources management in Dakhla Oasis,SW Egypt

Dakhla Oasis is located in the Western Desert of Egypt. Groundwater exploited from the Nubian Sandstone aquifer is the only available water resource in this area. This resource has been heavily exploited since 1960, which has led to a substantial decline in the potentiometric surface of the aquifer. A regional numerical groundwater flow model, calibrated under unsteady-state conditions, has been developed and used to investigate the hydrodynamic impacts of different groundwater management options on the potentiometry of the aquifer. To account for local details and to allow a precise analysis of pumping and the resulting drawdown in Dakhla Oasis, a local-scale model was developed by refining the grid cells in the calibrated regional model. The local-scale model gave a detailed picture about the expected drawdown due to the different groundwater management options in the next 100 years. The simulated results indicated that the planned increase in groundwater extraction will have a major impact on groundwater flow patterns in the whole area located southwest of Dakhla Oasis.

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Resumen El oasis Dakhla está situado en el gran desierto occidental de Egipto. El agua subterránea que se extrae del acuífero de roca arenosa nubia es la única fuente de agua disponible en esta área. Este recurso ha sido explotado en medida considerable desde 1960. Este hecho he causado una disminución sustancial en la superficie potenciométrica del acuífero. Se ha desarollado un modelo de flujo de agua subterránea numérico regional calibrado bajo condiciones de estado variable. Este modelo se ha utilizado para investigar el impacto hidrodinámico que diferentes opciones de manejo de aguas subterráneas tienen sobre la potenciometría del acuífero. Se desarolló un modelo de escala local mediante el refinamiento de las células de malla en el modelo regional calibrado con el objecto de involucrar los detalles locales y de permitir un análisis preciso del bombeo y disminución del nivel de aqua resultante en el oasis Dakhla. El modelo de escala local proporcionó un imagen detallada de la disminución de nivel esperada según las diferentes opciones de manejo de agua subterranea en los próximos 100 años. Los resultados simulados indican que el incremento de extración planificado en la agua subterránea tendrá un gran impacto en el patrón de flujo de agua subterranea en toda el area ubicada al suroeste del oasis de Dakhla.

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Résumé Loasis de Dakhla est située dans la partie occidentale du désert dÉgypte. La seule source deau disponible dans la région provient de lexploitation de laquifère gréseux de Nubian. Cette ressource a largement été exploitée depuis 1960, résultant en la diminution significative de la surface piézométrique de laquifère. Un modèle numérique découlement régional de leau souterraine, calibré en régime transitoire, a été développé et utilisé afin détudier les impacts hydrodynamiques de différents scénarios de gestion de laquifère sur la surface piézométrique. Afin dinclure les particularités locales et de réaliser une analyse précise du pompage et du rabattement qui y est associé dans lOasis de Dakhla, un modèle local découlement a été développé en raffinant le maillage dans le modèle régional préalablement calibré. Le modèle local découlement fournit une image détaillée du rabattement prévu pour les cent prochaines années selon les différents scénarios de gestion de laquifère. Les résultats obtenus par simulation numérique indiquent que laugmentation prévue dans lexploitation de leau souterraine aura un impact majeur sur les patrons découlement de leau souterraine dans toute la région située au sud-ouest de loasis de Dakhla.

     

Recharge areas and geochemical evolution of groundwater in an alluvial aquifer system in the Sultanate of Oman

A regional hydrogeochemical model was developed to evaluate the geochemical evolution of different groundwaters in an alluvial aquifer system in the Interior of Oman. In combination with environmental isotopes the model is able to extract qualitative and quantitative information about recharge, groundwater flow paths and hydraulic connections between different aquifers. The main source of water to the alluvial aquifer along the flow paths of Wadi Abyadh and Wadi Muaydin in the piedmont is groundwater from the high-altitude areas of the Jabal Akhdar and local infiltration along the wadi channels. In contrast, the piedmont alluvial aquifer along Wadi Halfayn is primarily replenished by lateral recharge from the ophiolite foothills to the east besides smaller contributions from the Jabal Akhdar and local infiltration. Further down gradient in the Southern Alluvial Plain aquifer a significant source of recharge is direct infiltration of rain and surface runoff, originating from a moisture source that approaches Oman from the south. The model shows that the main geochemical evolution of the alluvial groundwaters occurs along the flow path from the piedmont to the Southern Alluvial Plain, where dedolomitization is responsible for the observed changes in the chemical and carbon isotope composition in these waters.

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Resumen Un modelo hidrogeoquímico regional fue desarrollado, para evaluar la evolución geoquímica de diferentes aguas subterráneas en un sistema acuífero aluvial ubicado en el interior de Omán. El modelo, en combinación con isótopos ambientales, es capaz de obtener información cualitativa y cuantitativa sobre recarga, direcciones de flujo de agua subterránea y sobre las conexiones hidráulicas entre diferentes acuíferos. La fuente principal de agua para el acuífero aluvial en el piedemonte son las aguas subterráneas, a lo largo de las direcciones de flujo del Wadi Abyadh y del Wadi Muaydin, desde las áreas de gran altura de Jabal Akhdar y como infiltración local a lo largo de los canales del wadi. En contraste, el acuífero aluvial del piedemonte a lo largo del Wadi Halfayn, esta alimentado principalmente por recarga lateral desde las partes bajas de las montañas de ofiolitas hacia el Este, además por pequeñas contribuciones desde el Jabal Akhdar e infiltración local. Siguiendo gradiente abajo en el acuífero de la Llanura Aluvial del Sur, allí tanto la infiltración directa de lluvia, como la escorrentía superficial constituyen fuentes significativas de recarga, las cuales se originan en una fuente de humedad que llega a Omán proveniente del Sur. El modelo muestra, que la evolución geoquímica principal de las aguas subterráneas en el aluvión, sucede a lo largo de la dirección de flujo, que va desde el piedemonte hacia la Llanura Aluvial Sur, en donde el proceso de des-dolomitización es el responsable de los cambios observados en la composición química y también del contenido de isótopos de carbono en estas aguas.

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Résumé On a développé un modèle régional hydrogéochimique pour évaluer lévolution géochimique des différentes eaux souterraines dans le système aquifère de lintérieur dOman. Avec la contribution des isotopes denvironnement, le modèle est capable de fournir des informations qualitatives et quantitatives sur la recharge, les directions découlement et sur les connections hydrauliques entre les différents aquifères du système. La source principale pour laquifère situé au long de la direction découlement des oueds de Abdyah et de Muaydin dans le piémont est leau souterraine provenant des zones de haute altitude de Jabal Akhbar ainsi que linfiltration locale au long des canaux de loued. Par contre, à part dune petite contribution provenant des infiltrations locaux et de Jabal Akhbar, l aquifère alluvial de Wadi Halfayan est en principal alimenté par la recharge latérale provenant des ophiolites situées dans la partie est. Les plus importantes sources de recharge dans laval de laquifère de la Plaine Alluviale sont linfiltration directe et le ruissellement provenant dune source dhumidité qui sapproche dOman par le sud. Le modèle montre que la principale évolution géochimique se produise au long de la direction découlement qui part de piémont de la Plaine Alluviale du Sud, où le procès de dédolomisation est responsable pour les changements observés dans la composition géochimique et en carbone des eaux.

     

Identification of zones of preferential groundwater tracer transport using a mobile downhole fluorometer

A mobile downhole fluorometer was used to detect zones of preferential groundwater tracer transport into an observation well. Identification of such zones is not possible if individual samples are collected over the wells entire screened interval. Laboratory-based tests using the fluorometer, and a purpose-built apparatus demonstrated that the fluorometer could be used with tracers to characterise well water flow regimes. During field investigations in a porous aquifer, the fluorometer monitored tracer concentrations in an observation well with a 12-m-long screen, 10 m down the hydraulic gradient from a fully penetrating injection well. Test results showed that the tracer occurred in the observation well over a discrete 2.5-m-thick interval. Single-well dilution test and vertical-flow data indicated that water entered the well at additional depths, but no tracer was detected at these levels. A numerical model reproducing dilution test concentration profiles indicated that water entered the well in many of these horizons at comparable velocities to those in the tracer-bearing zone. These data suggest that groundwater flow direction varied with depth in the aquifer under investigation. Moreover, simulations of tracer arrival indicated that the tracer distribution observed in the observation well was derived from a horizon that may be no thicker than 0.5 m.

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Resumen Se utilizó un fluorómetro móvil descendente para detectar zonas de transporte preferencial de trazadores de agua subterránea en un pozo de observación. La identificación de tales zonas no es posible si se colectan muestras individuales en todo el intervalo enmallado del pozo. En base a pruebas de laboratorio utilizando el fluorómetro y un aparato especial construido se demostró que el fluorómetro podría utilizarse con trazadores para caracterizar ambientes de flujo de agua en los pozos. Durante investigaciones de campo en un acuífero poroso, el fluorómetro monitoreó concentraciones de trazadores en un pozo de observación con una malla de 12 m de largo, 10 m abajo del gradiente hidráulico de un pozo de inyección que penetra totalmente el acuífero. Los resultados de las pruebas muestran que el trazador se presentó en el pozo de observación en un intervalo discreto de 2.5 m de espesor. Pruebas de dilución en un solo pozo y datos de flujo vertical indicaron que el agua entró al. pozo en profundidades adicionales, pero que no se detectó el trazador en esos niveles. Un modelo numérico que reproduce los perfiles de concentración de las pruebas de dilución indica que el agua entró al. pozo en muchos de estos horizontes en velocidades comparables a las existentes en la zona portadora de trazadores. Estos datos sugieren que la dirección de flujo de agua subterránea varió con la profundidad en el acuífero bajo investigación. Por otra parte, las simulaciones de llegada del trazador indicaron que la distribución del trazador observada en el pozo de observación se derivó de un horizonte cuyo espesor puede no ser mayor de 0.5 m.

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Résumé Un fluorimètre a été utilisé pour détecter les zones découlement préférentiel dun traceur dans un puits dobservation. Les identifications de telles zones nest pas possible si les échantillons individuels sont collectés sur toute les longueurs des parties crépinées du puits. Les tests de laboratoire utilisant un fluorimètre et un dispositif adéquat ont montré que les fluorimètres pouvaient servir à définir les régimes découlement de leau dans les puits. Durant les investigations de terrain dans un aquifère poreux, le fluorimètre a enregistré les concentrations du traceur dans un puits dobservation avec une crépine de 12 m. de long, 10 m sous le gradient hydraulique dans un puits à pénétration totale. Les résultats des tests ont montré que le traceur apparaissait dans un interval discret de 2.5 m de long. Un test de dilution en puits unique et des données découlement vertical ont indiqué que leau rentrait dans le puits à dautres profondeurs, mais le traceur na pas été détecté à ces niveaux. Un modèle numérique reproduisant le test de dilution et le profil de concentration a indiqué que leau entrait dans le puits à ces niveaux à des vitesses comparables de celle du traceur. Ces données suggèrent que lécoulement des eaux souterraines varie avec la profondeur dans laquifère sous la zone dinvestigation. Dailleurs, les simulations de larrivée du traceur ont montré que la distribution des concentrations du traceur dans le puits ne pouvaient pas être dues à une couche plus fine que 0.5 m.

     

A very large scale GIS-based groundwater flow model for the Nubian sandstone aquifer in Eastern Sahara (Egypt,northern Sudan and eastern Libya)

A three-dimensional GIS-based groundwater flow model for the Nubian Sandstone Aquifer in the eastern Sahara was developed and calibrated under steady-state and transient conditions. The model was used to simulate the response of the aquifer to climatic changes that occurred during the last 25,000 years. The simulation results indicated that the groundwater in this aquifer was formed by infiltration during the wet periods 20,000 and 5,000 years b.p. The recharge of groundwater due to regional groundwater flow from more humid areas in the south was excluded. It also indicates that the Nubian Aquifer System is a fossil aquifer, which had been in an unsteady state condition for the last 3,000 years.

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Resumen Fue desarrollado un modelo de flujo de agua subterránea en tres dimensiones, basado en un SIG, para el Acuífero Arenisca Nubian en el Sahara Oriental, el cual fue calibrado para condiciones de estado estacionario y transitorio. El modelo se usó para simular la respuesta del acuífero a los cambios climáticos que ocurrieron durante los últimos 25000 años. Los resultados de esta simulación indicaron que el agua subterránea en este acuífero, se formó por infiltración, durante los períodos húmedos que hubo hace 20000 y 5000 años, antes del presente. Fue excluida la recarga del acuífero debida a un flujo regional de agua subterránea proveniente de áreas con un clima más húmedo en el sur. El modelo también muestra, que el Sistema Acuífero Nubian es un acuífero fósil, el cual ha permanecido en una condición de estado no estacionario, durante los últimos tres mil años.

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Résumé Pour laquifère gréseux Nubien de Sahara -Est on a mis au points un modèle tridimensionnel, basé sur GIS. Le modèle a été calibré tant pour lécoulement stationnaire que pour lécoulement transitoire. On a simulé après la réponse de laquifère aux changements climatiques des derniers 25000 ans. Les résultats des simulations indiquent que la nappe a été rechargée par des infiltrations pendant une période humide qui sétend 5000 et 20000 ans, dès temps actuel. On na pas pris en compte la recharge de laquifère par la zone plus humide située dans sa partie sud. Le modèle indique aussi que leau de laquifère Nubien est une eau fossile qui a eu un écoulement transitoire pendant les derniers 3000 ans.

     

Pattern classification using tabu search to identify the spatial distribution of groundwater pumping

Pattern classification and Tabu Search are integrated to optimize the zonation and associated average groundwater pumping rates. A simulated problem analogous to the Choushui Creek Alluvial in Janghauh county of Taiwan is used to examine the proposed method. Three problems are tested including (1) optimizing zonation patterns with known pumping rates and number of zones, (2) optimizing pumping rates and zonation patterns with a predetermined number of zones, and (3) optimizing all pumping rates, number of zones, and zonation. The results indicate that the proposed method successfully identifies spatial patterns of groundwater pumping for all three cases. However, some initial zonations result only in local optimums. Thus, using more than one initial zonation to increase search diversification is recommended. Application to different problems such as the spatial distribution of hydraulic conductivity values and area weighting of rainfall stations, is encouraged.

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Resumen El patrón de clasificación y la búsqueda tabú están integrados para optimizar la zonificación y las tasas promedio de bombeo de aguas subterráneas asociadas. Se ha utilizado un área diseñada análoga al arroyo aluvial Choushui en la provincia Janghauh en Taiwan para examinar el método propuesto. Se han probado tres problemas que incluyen (1) la zonificación únicamente con las tasas de bombeo y número de zonas dadas, (2) tasa de bombeo y zonificación con un número predeterminado de zonas, y (3) todas las tasa de bombeo, número de zonas y zonificaciones. Los resultados indican que el método propuesto identifica exitosamente los patrones espaciales de bombeo de las aguas subterráneas en los tres casos. Sin embargo, Algunas zonificaciones iniciales solamente resultan en óptimos locales. Por esta razón se recomienda utilizar más de una zonificación inicial para incrementar la diversificación de la búsqueda. Se sugiere la aplicación a problemas diferentes tales como la distribución espacial de conductividades hidraúlicas y la ponderación de áreas de estaciones de monitoreo de precipitación.

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Résumé La classification des patrons et la recherche Tabu sont intégrés pour optimiser la zonation et la moyenne associée du taux de pompage de leau souterraine. Une région analogue à lalluvion du ruisseau Choushui de la région Janghauh en Taiwan a été recrée afin dexaminer la méthode proposée. Trois problèmes sont évalués, incluant loptimisation de (1) la zonation avec seulement un taux de pompage et un nombre de zones donnés, (2) le taux de pompage et la zonation avec un nombre prédéterminé de zones, et (3) tous les taux de pompage, nombre de zones et la zonation. Les résultats indiquent que la méthode proposée identifie avec succès les patrons de pompage de leau souterraine dans les trois cas. Toutefois, certaines zonations initiales résultent seulement en optimums locaux. Par conséquent, lutilisation de plus dune zonation initiale afin daugmenter la diversification de la recherche est recommandée. Lutilisation de la méthode est suggérée pour la résolution de différents problèmes tels que la distribution spatiale de la conductivité hydraulique et la pondération des stations de mesure de précipitations.

     

3D geologic framework models for regional hydrogeology and land-use management: a case study from a Quaternary basin of southwestern Quebec, Canada

During a regional hydrogeologic survey in the St. Lawrence Lowlands, Canada, a computer-based 3D Geologic Framework Model (GFM) was constructed to obtain a consistent representation of this typical Quaternary glaciated basin over a 1,400 km² area. Such a detailed stratigraphic reconstruction was needed because the Quaternary sediments control the recharge to the underlying regional fractured rock aquifer and also because buried granular aquifers are partly connected to the regional system. The objectives of this geomodeling effort are 1) to improve understanding of subsurface conditions above the regional aquifer and; 2) to provide a common stratigraphic framework for hydrogeologic applications. The method draws on knowledge-driven discrete modeling using gOcad, as well as standardization and quality control procedures to maximize the use of a multisource database. The resulting model represents the bedrock topography and the complex stratigraphic architecture of overlying sediments. The regional till aquitard, the marine clay aquiclude and the buried granular aquifers have been modeled with unprecedented details thus providing a well-constrained 3D hydrostratigraphic framework. The recharge zones of the rock aquifer represent about 35% of the study area. Buried granular aquifers are directly connected to the regional aquifer system over about 10% of the area. The model allows several applications such as assessing aquifer vulnerability and areal groundwater recharge rates; improving the GFM inter-operability with groundwater modeling systems would be the next logical step.

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Resumen Se construyó un Modelo del Marco Geológico (GFM) 3D basado en computadora durante un levantamiento hidrogeológico regional en las Tierras Bajas de St. Lawrence, Canada para obtener una representación consistente de esta cuenca glaciar Cuaternaria típica en un área de 1,400 km². Se necesitó tal grado de reconstrucción estratigráfica debido a que los sedimentos Cuaternarios controlan la recarga del acuífero rocoso fracturado regional subyacente y también porque los acuíferos granulares enterrados están parcialmente conectados con el sistema regional. Los objetivos de este esfuerzo de modelizado geológico son: 1) mejorar el entendimiento de las condiciones subsuperficiales por encima del acuífero regional y; 2) aportar un marco estratigráfico común para aplicaciones hidrogeológicas. El método se basa en el conocimiento de modelizado discreto utilizando gOcad, así como también en estandarización y procedimientos de control de calidad para maximizar el uso de bancos de datos de fuentes múltiples. El modelo obtenido representa la topografía del macizo rocoso y la arquitectura de la compleja estratigrafía de los sedimentos sobreyacentes. El acuitardo regional de tillita, el acuicludo arcilloso marino y los acuíferos granulares enterrados se han modelizado con detalles sin precedentes aportando de este modo un marco hidroestratigráfico 3D bien definido. Las zonas de recarga del acuífero rocoso representan casi el 35% del área de estudio. Los acuíferos granulares enterrados están conectados directamente al sistema acuífero regional sobre aproximadamente el 10% del área. El modelo permite varias aplicaciones tal como evaluar la vulnerabilidad de acuíferos y ritmos de recarga areales de agua subterránea; el paso lógico siguiente sería mejorar la inter-operabilidad del GFM con los sistemas de modelizado de agua subterránea.

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Résumé Dans le cadre dune étude dhydrogéologie régionale dans les basses terres du Saint-Laurent (Canada), un Modèle surfacique géologique en 3D (MSG) a été développé pour obtenir une représentation cohérente par ordinateur de ce bassin quaternaire sur une superficie de plus de 1,400 km². Une telle reconstitution stratigraphique était nécessaire en raison du contrôle quexercent les sédiments quaternaires sur la recharge de laquifère régional fracturé sous-jacent et aussi parce que les aquifères granulaires enfouis sont partiellement connectés au système régional. Les objectifs de cet effort de géomodélisation sont: 1) daméliorer la compréhension des conditions de sous-surface au-dessus de laquifère régional et; 2) de fournir un cadre stratigraphique commun à des fins de caractérisation hydrogéologique. La méthode repose sur lintégration de linterprétation géologique dans la modélisation discrète effectuée à laide du logiciel gOcad, ainsi que sur des procédures duniformisation et de contrôle de la qualité des données afin doptimiser lutilisation dune base de données multisources. Le MSG représente la topographie du roc et larchitecture stratigraphique des sédiments sus-jacents. Laquitard régional (till), laquiclude dargile marine et les aquifères granulaires ont été modélisés à un niveau de détail sans précédent, fournissant ainsi un cadre hydrostratigraphique solidement établi. Les zones de recharge de laquifère rocheux représentent environ 35% de la zone détude. Les aquifères granulaires enfouis sont connectés directement au système aquifère régional sur au moins 10% du territoire. Le MSG permet de multiples usages tels lévaluation de la vulnérabilité des aquifères et lestimation de la distribution de la recharge; la prochaine étape logique serait lamélioration de linteropérabilité avec les systèmes de modélisation numérique de lécoulement.

     

The origin of increased salinity in the Cambrian-Vendian aquifer system on the Kopli Peninsula,northern Estonia

Monitoring of the confined Cambrian-Vendian aquifer system utilised for industrial water supply at Kopli Peninsula in Tallinn over 24 years reveals remarkable changes in chemical composition of groundwater. A relatively fast 1.5 to 3.0-fold increase in TDS and in concentrations of major ions in abstracted groundwater is the consequence of heavy pumping. The main sources of dissolved load in Cambrian-Vendian groundwater are the leaching of host rock and the other geochemical processes that occur in the saturated zone. Underlying crystalline basement, which comprises saline groundwater in its upper weathered and fissured portion, and which is hydraulically connected with the overlying Cambrian-Vendian aquifer system, is the second important source of ions. The fractured basement and its clayey weathering crust host the Ca-Cl type groundwater, which is characterised by high TDS values (2–20 g/L). Intensive water abstraction accelerates the exchange of groundwaters and increases the area of influence of pumping. Chemical and isotopic studies of groundwater indicate an increasing contribution of old brackish water from the crystalline basement and rule out the potential implication of an intrusion of seawater into aquifer.

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Resumen El origen del incremento en salinidad en un sistema de acuíferos Cámbrico-Vendiano en la Península Kopli, norte de EstonieMonitoreo a largo plazo de un sistema de acuíferos confinados, de edad Cámbrico-Vendiano, que se utiliza como fuente de abastecimiento industrial en la Península Kopli, al norte de Estonie, revela cambios notables en la composición química del agua subterránea. Un incremento de 1.5 a 3 veces en TDS y en concentraciones de iones mayores en agua subterránea explotada ha sido ocasionado por bombeo fuerte. Las fuentes principales de carga disuelta en el agua subterránea Cámbrico-Vendiano son la lixiviación de la roca encajonante y los procesos geoquímicos que ocurren en la zona saturada. Basamento cristalino subyacente, que aloja agua subterránea salada en la parte superior intemperizada y fisurada, y está conectado hidráulicamente con el sistema acuífero Cámbrico-Vendiano sobreyacente, es la segunda fuente importante de iones. El basamento fracturado y su corteza de intemperismo arcillosa alojan agua subterránea de tipo Ca-Cl la cual se caracteriza por valores altos de TDS (2–20 g/l). Debido a extracción intensiva se ha acelerado el intercambio de agua subterránea y se ha incrementado el área de influencia del bombeo. Los estudios químicos e isotópicos de agua subterránea indican una contribución creciente por filtración derivada del basamento cristalino. Es evidente una intrusión de agua salada hacia el sistema de acuíferos con implicaciones subsecuentes para la calidad del agua.

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Résumé Lorigine de la salinité croissante dans le système aquifère du Cambrien-Vendien dans la péninsule de Kopli, nord de lEstonieLe suivi à long terme du système aquifère captif du Cambrien-Vendien utilisé pour lapprovisionnement deaux industrielles dans la Péninsule de Kopli, nord de lEstonie, révèle de remarquables changements dans la composition chimique des eaux souterraines. Une augmentation de facteur 1.5 à 3 de la TDS et des concentrations en ions majeurs dans leau souterraine est la conséquence de pompages intensifs. Les sources principales des charges dissoutes dans les eaux de laquifère du Cambrien-Vendien sont le lessivage des roches et dautres phénomènes géochimiques ayant lieu dans la zone saturée. Le soubassement rocheux cristallin, qui renferme des eaux souterraines salines dans sa partie supérieure altérée et fissurée, et est hydrauliquement connecté avec laquifère supérieur du Cambrien-Vendien, est la deuxième importante source dions. Le soubassement fracturé et le matériel argileux de laltération, renferme leau souterraine de type Ca-Cl, caractérisée par un haut TDS (2–20 g/l). A cause de la mobilisation intensive de leau les échanges deau souterraine est sont accélérés et la zone dinfluence des pompages augmentent. Les études chimiques et isotopiques indiquent une contribution croissante du drainage des eaux du soubassement cristallin. Lintrusion deaux salées de la mer dans le système aquifère nest pas un phénomène évident.

     

Modeling of complex multi-aquifer systems for groundwater resources evaluation—Swidnica study case (Poland)

An example of groundwater resources evaluation methodology by numerical modeling in the complex, unconsolidated, multi-aquifer system of the Swidnica area (~627 km²) is presented. In this study Groundwater Modeling System (GMS) was used to develop a conceptual model on the basis of data from several hundred boreholes and to calibrate a numerical, multi-aquifer model. A steady state calibration was performed using historical natural groundwater table (quasi-natural simulation) data and abundant pumping test transmissivity data. The calibrated recharge was first spatially distributed based on surface lithology and then adjusted until a good match between calculated and measured heads was obtained. The quasi-natural simulation budget input of ~165,000 m³/day consisted of 40.5% of lateral inflow from the SW fault model boundary, 34.5% of average net recharge from precipitation, 13% of infiltration from the Mietkowskie Lake and 12% of river infiltration. The budget output (the same as input) consisted of ~ 88% of river drainage and ~ 12% of lateral outflow. The final, abstraction-influenced simulation representing the current stationary condition was used to verify the model by cross referencing present well drawdowns with well abstractions and by comparison of the groundwater discharge to the rivers with the field baseflow measurements. In this simulation, the total well abstraction of ~53,000 m³/d resulted in 9% increase in overall water balance up to ~180,000 m³/day, 38% increased river infiltration, 24% reduced river drainage, 17% reduced lateral outflow and ~3 times increased downward leakage to the deepest, productive aquifer. The Swidnica study case shows an example, which analyzes an impact of well abstractions on the decline of groundwater table and river discharges, concluding that reserves of renewable water resources are still available. It shows also, that by setting up a conceptual model within the numerical model environment and by applying a quasi-3D solution, complex multi-aquifer systems can be well and efficiently modeled.

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Resumen Se presenta un ejemplo de metodología de evaluación de recursos de aguas aubterráneas por medio de modelación numérica en el sistema multi-acuífero, complejo, no consolidado del área de Swidnica (~627 km2). Em este estudio se utilizó un sistema de modelamiento de aguas subterráneas (GMS) para desarrollar un modelo conceptual sobre la base de datos de varios cientos de pozos y para calibrar un modelo multi-acuífero numérico. Se llevó a cabo calibración de un estado constante mediante el uso de datos históricos del manto de aguas subterráneas (simulación casi natural) y de abundantes datos de transmisividad de las pruebas de bombeo. En primer lugar se distribuyó la recarga calibrada en base a la litología de superficie y luego se ajustó hasta obtener una buena correlación entre las cimas calculadas y las medidas. El casi natural presupuesto en la simulación de ~165,000 m3/día consistió de 40.5 % de influjo lateral del límite del modelo de la falla SO, 34.5% de recarga neta promedio de precipitación, 13 % de infiltración del lago Mietkowskie y 12% de infiltración de los ríos. El presupuesto de los productos (output) (igual que el input)consistió de ~ 88 % de drenaje de los ríos y ~ 12 % de flujo lateral. La simulación final, influida por la abstracción, que representa la condición estacionaria actual se utilizó para verificar el modelo mediante la verificación cruzada de los conos de abstracción actuales con abstracciones de los pozos y mediante la comparación de la descarga de aguas subterráneas a los ríos con las medidas de flujo de base de terreno. En esta simulación, la abstracción total de los pozos de ~53,000 m3/d dio como resultado un incremento de 9 % en el balance de gua total de hasta ~180,000 m3/día, un incremento de 38 % infiltración de los ríos, una reducción de 24 % del drenaje a los ríos, una reducción de 17 % del eflujo lateral y un incremento de ~3 veces de filtración hacia abajo al acuífero má profundo productivo. El caso de estudio Swidnica muestra un ejemplo que analiza el impacto de las instalaciones de abstraccion de pozos sobre el decrecimiento del mato de aguas subterráneas y descargas de ríos. Sin embargo, la conclusión es que las reservas de recursos aguas renovables están disponibles todavía. También muestra que los sistemas multi-acuíferos complejos se puede modelar eficientemente y satisfactoriamente al establecer un modelo conceptual dentro del ambiente de un modelo numérico y mediante la aplicación de soluciones casi 3D.

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Resumé Un exemple méthodologique dévaluation des ressources en eau souterraine par modélisation numérique dun système aquifère multiple complexe et non-consolidé de la région de Swidnica (~627 km2) est présenté. Le système de modélisation de leau souterraine GMS (Groundwater Modeling System) est utilisé afin de développer un modèle conceptuel basé sur les données provenant de plusieurs centaines de puits, ainsi que pour caler le modèle numérique daquifère multiple. Une calibration en régime permanent a été effectuée en utilisant les données historiques du niveau naturel de la nappe phréatique (simulation quasi-naturelle) et les données de transmissivité provenant de nombreux essais de pompage. La recharge calibrée a été obtenue en utilisant dabord des valeurs spatiallement distribuées en fonction de la lithologie de surface qui ont par la suite été ajustées jusquà ce quune bonne correspondance entre les charges mesurées et simulées soit obtenue. Le bilan des intrants deau pour la simulation quasi-naturelle de ~165,000 m3/j est réparti comme suit: 40.5% provenant dentrée deau latérale le long de la limite sud-ouest du modèle qui représente une faille, 34.5% de recharge moyenne nette provenant des précipitations, 13% dinfiltration provenant du lac Mietkowskie et 12% dinfiltration provenant de rivières. Le bilan des extrants deau qui forme le même volume que les intrants est réparti entre ~88% de drainage par les rivières et ~12% découlement latéral. La simulation finale influencée par le captage qui représente les conditions actuelles a été utilisée afin de vérifier le modèle en comparant le rabattement actuel avec le captage des puits et en comparant lécoulement deau vers les rivières avec les valeurs découlement de base des rivières mesurées sur le terrain. Dans cette simulation, le total deau pompé (~53,000 m3/j) produit une augmentation de 9% dans le bilan deau total qui devient ~180,000 m3/j, une augmentation de 38% dinfiltration par les rivières, une réduction de 24% du drainage par les rivières, une réduction de 17% de lécoulement de sortie latéral et une augmentation denviron 3 fois du drainage vers le bas vers laquifère le plus productif. Létude de cas de Swidnica montre un exemple qui analyse limpact dinstallation de puits de captage sur le déclin de la nappe phréatique et sur la décharge dans les rivières, en concluant par contre, que les réserves en eau renouvelable sont toujours disponibles. Cet exemple montre également quen construisant un modèle conceptuel avec un environnement de modèle numérique et quen appliquant une solution quasi 3D, les systèmes multiaquifères complexes peuvent être bien et efficacement modélisés.

     

Determination of aquifer roof extending under the sea from variable-density flow modelling of groundwater response to tidal loading: case study of the Jahe River Basin,Shandong Province,China

The main task of studies on salt-water intrusion into coastal confined aquifers is to predict the position of the fresh- salt-water interface, which can be determined from the length of the aquifer roof extending under the sea. Records of groundwater level affected by tides can be used to infer hydrological conditions and determine hydraulic parameters of an aquifer extending under the sea. In this paper, a three-dimensional, variable-density groundwater flow model has been developed to determine the equivalent roof length of an aquifer extending under the sea from the tidal-effected data of groundwater level in the Jahe River Basin, Shandong Province, China. The seaward boundary is obtained by converging hydraulic head fluctuations observed in drill holes with calculated values, and the aquifer parameters in the extending zone are estimated. The impacts of aquifer roof length and aquifer parameters on the fluctuation of tidal groundwater are studied. It is concluded that the length of the aquifer roof extending under the sea should correspond with certain aquifer parameters in the extrapolation zone. Therefore, the seaward boundary determined from tidal-effect information is the equivalent boundary in hydrodynamic characteristics rather than the true boundary of the confined aquifer

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Resumen El principal objetivo de los estudios sobre intrusiones de agua salada en acuíferos costeros confinados es predecir la posición de la interfase agua dulce-agua salada, la cual puede determinarse a partir de la longitud del techo del acuífero que se extiende por debajo del mar. Los registros de niveles de agua subterránea afectados por las mareas puede utilizarse para inferir las condiciones hidrológicas y determinar los parámetros hidráulicos de un acuífero que se extiende por debajo del mar. En este artículo se ha desarrollado un modelo de flujo tri-dimensional de agua subterránea de densidad variable para determinar la longitud del techo equivalente de un acuífero que se extiende por debajo del mar a partir de datos, afectados por la marea, de niveles de agua subterránea en la Cuenca del Río Jahe, Provincia Shandong, China. El límite hacia el océano se obtiene por convergencia de fluctuaciones de presiones hidráulicas observadas en pozos con valores calculados, y se estiman los parámetros del acuífero en la zona extendida. Se estudian los impactos de la longitud del techo del acuífero y los parámetros del acuífero en la fluctuación del agua subterránea afectada por las mareas. Se concluye que la longitud del techo del acuífero que se extiende por debajo del mar debería corresponder con ciertos parámetros del acuífero en la zona de extrapolación. Por lo tanto, el límite hacia el océano determinado a partir de información de efectos de marea es el límite equivalente en características hidrodinámicas más que el límite real del acuífero confinado.

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Résumé Les sujets principaux des études dinstrusion saline dans les aquifères confinés en zone côtière sont la prédiction de la position de linterface entre leau salée et leau fraîche, qui peut être déterminée à partir de lextention du toit de laquifère sous la mer. Les enregistrements des niveaux des eaux souterraines influencés par les marées peuvent être utilisés pour préciser les conditions hydrologiques et déterminer les paramètres hydrauliques dun aquifère possédant une extension sous la mer. Dans cet article, un modèle tridimensionnel comprenant des eaux souterraines de densité variable a été développé pour déterminer la longueur équivalente du toit dun aquifère qui sétend sous la mer à partir des données concernant les effets de marée sur les eaux souterraines dans le bassin de la rivière Jahe, dans la province de Shandong, Chine. La limite de salinité est déterminée en faisant converger les fluctuations des hauteurs piézométriques avec les valeurs calculées, et les paramètres de laquifère sont estimés dans la zone sétendant sous la mer. Lincidence de la longueur de laquifère sous la mer sur les fluctuations des niveaux est étudiée. On en conclut que la longueur du toit de laquifère sous la mer peut correspondre à certains aquifères paramètres dans la zone dextrapolation. Par conséquent, la limite de salinité déterminée à partir des effets de marée est léquivalent dune limite hydrodynamique plutôt que la véritable limite de laquifère.

     

Numerical investigation of seawater intrusion at Gooburrum,Bundaberg, Queensland,Australia

Seawater intrusion in coastal agricultural areas due to groundwater abstraction is a major environmental problem along the northeastern coast of Australia. Management options are being explored using numerical modelling, however, questions remain concerning the appropriate level of sophistication in models, choice of seaward boundary conditions, and how to accommodate heterogeneity and data uncertainty. The choice of seaward boundary condition is important since it affects the amount of salt transported into the aquifers and forms the focus of the present study. The impact of this boundary condition is illustrated for the seawater-intrusion problem in the Gooburrum aquifers, which occur within Tertiary sedimentary strata. A two-dimensional variable-density groundwater and solute-transport model was constructed using the computer code 2DFEMFAT (Cheng et al. 1998). The code was tested against an experiment for a steady-state freshwater-saltwater interface and against the Elder (Elder 1967) free-convection problem. Numerical simulations show that the imposition of the commonly-used equivalent hydrostatic freshwater heads, combined with a constant salt concentration at the seaward boundary, results in overestimated seawater intrusion in the lower Gooburrum aquifer. Since the imposition of this boundary condition allows water flow across the boundary, which subsequently takes salt into the aquifer, a careful check is essential to estimate whether too much mass of salt is introduced.

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Resumen La intrusión de agua salada en áreas agrícolas costeras a causa de la abstracción de aguas subterráneas es un problema medioambiental mayor a lo largo de la costa noreste de Australia. Se están explorando opciones de manejo mediante el uso de modelos numéricos, sin embargo, quedan pendientes cuestionamientos con respecto al nivel apropiado de sofisticación de los modelos, la elección de condiciones de límites hacia el mar y cómo acomodar la heterogeneidad y la incertidumbre de los datos. La elección de límites hacia el mar es importante ya que afecta la cantidad de sal transportada a los acuíferos y forma el centro de interés del presente estudio. Se ilustra el impacto de esta condición de límites para el problema de la intrusión de agua de mar en los acuíferos de Gooburrum, Queensland, Australia. Se construyó un modelo de transporte de solutos y de densidad variable de aguas subterráneas de dos dimensiones mediante el uso del código de computación 2DFEMFAT. El código se probó contra un experimento para una interfase de agua salada-agua dulce de estado constante y contra el problema de Elder de convexión libre. Las simulaciónes numéricas muestran que las cimas de agua dulce hidrostáticas equivalentes utlizadas comúnmente combinadas con una concentración de sal constante en el límite hacia el mar resultan en una sobreestimación de la intrusión de agua de mar en el acuífero bajo de Gooburrum. Puesto que la imposición de esta condición de límites permite flujo de agua a través de los límites, el cual subsecuentemente transporta sal al acuífero, una verificación cuidadosa es esencial para estimar si se introduce demasiada masa de sal.

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Résumé Investigations numériques de lintrusion deau de mer à Gooburrum, Bundaberg, Queensland. Lintrusion deau salée due au captage deau souterraine dans les régions agricoles situées le long de la côte Nord-Est de lAustralie est un grave problème environnemental. Des solutions à ce problème sont présentement étudiées à laide de la modélisation numérique. Cependant des questions subsistent concernant le niveau de sophistication du modèle, le choix des limites le long de lintrusion salée et la manière daccommoder lhétérogénéité et lincertitude des données. Le choix de la limite le long de lintrusion deau salée est important puisque cette limite détermine la quantité de sel transporté dans laquifère et constitue le sujet de la présente étude. Leffet du choix de cette limite est bien illustré par le problème dintrusion deau salée dans les aquifères de Gooburrum, Queensland, Australie. Un modèle bidimensionnel découlement à densité variable et de transport de solutés a été conçu en utilisant le code 2DFEMFAT. Ce code a été testé avec une expérimentation ayant pour objet lécoulement en régime permanent dune interface eau salée/eau douce. Il a aussi été mis à lépreuve par le problème de convection libre de Elder. Les simulations numériques révèlent que limposition de la limite communément utilisée, quon appelle la «charge hydrostatique équivalente deau douce», conduit, dans le cas o lon a une concentration constante en sels le long de lintrusion deau salée, à une surestimation de lintrusion deau salée dans laquifère inférieur de Gooburrum. Puisque que cest limposition de cette limite qui permet lécoulement de leau au-delà de la frontière de laquifère, ce qui introduit subséquemment du sel dans laquifère, une vérification minutieuse doit tre effectuée afin de contrôler la quantité de sel introduit.

     

Storm pulse chemographs of saturation index and carbon dioxide pressure: implications for shifting recharge sources during storm events in the karst aquifer at Fort Campbell,Kentucky/Tennessee,USA

Continuous records of discharge, specific conductance, and temperature were collected through a series of storm pulses on two limestone springs at Fort Campbell, western Kentucky/Tennessee, USA. Water samples, collected at short time intervals across the same storm pulses, were analyzed for calcium, magnesium, bicarbonate, total organic carbon, and pH. Chemographs of calcium, calcite saturation index, and carbon dioxide partial pressure were superimposed on the storm hydrographs. Calcium concentration and specific conductance track together and dip to a minimum either coincident with the peak of the hydrograph or lag slightly behind it. The CO₂ pressure continues to rise on the recession limb of the hydrograph and, as a result, the saturation index decreases on the recession limb of the hydrograph. These results are interpreted as being due to dispersed infiltration through CO₂-rich soils lagging the arrival of quickflow from sinkhole recharge in the transport of storm flow to the springs. Karst spring hydrographs reflect not only the changing mix of base flow and storm flow but also a shift in source of recharge water over the course of the storm.

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Resumen Se ha registrado en continuo la descarga, conductancia específica y temperatura de una serie de episodios de tormenta en dos manantiales en calizas ubicados en Fort Campbell, en el oeste de Kentucky/Tennessee (Estados Unidos de América). Se ha analizado muestras de agua recogidas en breves intervalos de tiempo durante los episodios de tormenta, determinando el calcio, magnesio, bicarbonato, carbono orgánico total y pH. Se ha superpuesto quimiogramas de calcio, índice de saturación en calcita y presión parcial de dióxido de carbono en los hidrogramas de las tormentas. La concentración de calcio y la conductancia específica se comportan de forma similar y presentan un mínimo que coincide también con un pico del hidrograma o que se retrasa ligeramente con respecto a él. La presión de dióxido de carbono sigue aumentando en la rama de recesión del hidrograma y, como consecuencia, disminuye el índice de saturación de la rama de recesión del hidrograma. Se interpreta que estos resultados son debidos a la infiltración dispersa a través de suelos enriquecidos en dióxido de carbono que retrasan el flujo rápido desde la recarga en los sumideros hasta su afloramiento en los manantiales. Los hidrogramas en manantiales kársticos reflejan no sólo la mezcla cambiante del flujo de base y el de tormenta, sino también el cambio en el origen del agua de recarga durante el curso de la tormenta.

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Résumé Lenregistrement en continu du débit, de la conductivité et de la température de leau a été réalisé au cours dune série de crues à deux sources émergeant de calcaires, à Fort Campbell (Kentucky occidental, Tennessee, États-Unis). Des échantillons deau, prélevés à de courts pas de temps lors de ces crues, ont été analysés pour le calcium, le magnésium, les bicarbonates, le carbone organique total et le pH. Les chimiogrammes de calcium, dindice de saturation de la calcite et de la pression partielle en CO₂ ont été superposés aux hydrogrammes de crue. La concentration en calcium et la conductivité de leau se suivent bien et passent par un minimum correspondant au pic de lhydrogramme ou légèrement retardé. La pression partielle en CO₂ continue de croître au cours de la récession de lhydrogramme de même que lindice de saturation de la calcite décroît. Ces résultats sont interprétés comme étant dus à linfiltration dispersée au travers de sols riches en CO₂, décalée par rapport à larrivée de lécoulement rapide provenant de la recharge, à partir dune perte, de lécoulement de crue vers les sources. Les hydrogrammes de sources karstiques ne reflètent pas seulement le mélange variable de lécoulement de base et de lécoulement de crue, mais également un changement dorigine de leau de la recharge au cours de lépisode de crue.

     

Patterns of evolution of research strands in the hydrologic sciences

This paper examines issues of impact and innovation in groundwater research by using bibliometric data and citation analysis.The analysis is based on 3120 papers from the journal Water Resources Research with full contents and their citation data from the ISI Web of Science. The research is designed to develop a better understanding of the way citation numbers can be interpreted by scientists. Not surprisingly, the most highly cited papers appear to be pioneers in the field with papers departing significantly from what has come before and to be effective in creating similar, follow-on papers. Papers that are early contributions to a new research strand that is highly influential will be on average highly cited. However, the importance of a research strand as measured by citations seems to fall with time. The citation patterns of some classic papers show that the activity in the topical area and impact of follow-on papers gradually decline with time, which has similarities with Kuhns ideas of revolutionary and normal science. The results of this study reinforce the importance of being a pioneer in a research strand, strategically shifting research strands, adopting strategies that can facilitate really major research breakthroughs.

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Resumen Este artículo examina los temas de impacto e innovación en la investigación de las aguas subterráneas, mediante el uso de datos bibliométricos y del análisis de las referencias bibliográficas. El análisis se basó en 3120 artículos de la revista Water Resources Research, con el contenido completo y sus datos de referencias bibliográficas obtenidos de la Red de Ciencia ISI. La investigación se diseñó para desarrollar un entendimiento mayor de la forma en que la cantidad de citas bibliográficas puede ser interpretada por los científicos. No es sorprendente que los artículos más citados, parecen ser los pioneros en el campo, siendo artículos que divergen significativamente de lo que se ha hecho anteriormente, los cuales son efectivos creando de manera similar otros artículos seguidores. Los artículos que son contribuciones iniciales en una línea de investigación nueva, la cual es de alta influencia, serán en promedio citados muy frecuentemente. Sin embargo, la importancia de una línea de investigación, de acuerdo a su medida por las veces que es citada, parece disminuir con el tiempo. Las tendencias en cuanto a hacer citas bibliográficas de algunos artículos clásicos, muestran que la actividad en el área de actualidad, lo mismo que el impacto de los artículos seguidores, declinan con el tiempo gradualmente, lo cual muestra parecidos con las ideas de Kuhn acerca de la ciencia revolucionaria y la ciencia normal. Los resultados de este estudio refuerzan la importancia de ser un pionero en una línea de investigación, cambiando estratégicamente de líneas de investigación y adoptando estrategias que puedan facilitar verdaderos avances en investigaciones de trascendencia.

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Résumé Larticle examine les problèmes dimpact et dinnovation dans la recherche des eaux souterraines en utilisant les données bibliométriques et lanalyse des citations. Lanalyse a été faite sur 3120 articles parus dans Water Resources Research en tenant compte de leur texte complet et de toutes citations parues dans lISI Web de la Science. Le but de la recherche a été de mieux comprendre comment le nombre des citations peut être interprété par les scientifiques. Ce nest pas une surprise que les plus cités articles soient les articles-pionniers dans leurs domaines, qui sécartent dune manière significative de ce qui a été écrit auparavant et qui ont été suivi par des nouveaux articles. Les articles qui présentent une première contribution dans leur domaine et qui ont beaucoup influencé la recherche sont en général les plus cités. Il semble que la diminution de limportance dun domaine de recherche est aussi reflétée par le nombre de citations. Le modèle des citations des quelques articles classiques montre que lactivité dans le domaine ainsi que limpact sur les articles suivantes déclinent progressivement pendant le temps ce qui présente une analogie avec les idées de Kuhn sur la science normale et révolutionnaire. Le résultat de létude renforce une fois de plus limportance dêtre un pionnier dans un domaine, en faisant avancer la recherche dans le domaine respectif, en adoptant des stratégies qui peuvent créer des percées majeures dans la recherche.

     

Hydrogeology in North America: past and future

This paper is a retrospective on the evolution of hydrogeology in North America over the past two centuries, and a brief speculation of its future. The history of hydrogeology is marked by developments in many different fields such as groundwater hydrology, soil mechanics, soil science, economic geology, petroleum engineering, structural geology, geochemistry, geophysics, marine geology, and more recently, ecology. The field has been enriched by the contributions of distinguished researchers from all these fields. At present, hydrogeology is in transition from a state of discovering new resources and exploiting them efficiently for maximum benefit, to one of judicious management of finite, interconnected resources that are vital for the sustenance of humans and other living things. The future of hydrogeology is likely to be dictated by the subtle balance with which the hydrological, erosional, and nutritional cycles function, and the decision of a technological society to either adapt to the constraints imposed by the balance, or to continue to exploit hydrogeological systems for maximum benefit. Although there is now a trend towards ecological and environmental awareness, human attitudes could change should large parts of the populated world be subjected to the stresses of droughts that last for many decades.

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Resumen Este articulo es una retrospectiva sobre la evolución de la hidrogeología en Norte América en los pasados dos siglos, y una breve especulación de su futuro. La historia de la hidrogeología está marcada por desarrollos en muchos campos diferentes tal como hidrología de aguas subterráneas, mecánica de suelos, ciencia del suelo, geología económica, ingeniería del petróleo, geología estructural, geoquímica, geofísica, geología marina, y más recientemente, ecología. El campo se ha enriquecido por las contribuciones de investigadores distinguidos en todos esos campos. Actualmente, la hidrogeología se encuentra en transición de un estado de descubrir nuevos recursos y explotarlos eficientemente para un beneficio máximo, a un estado de gestión juiciosa de recursos finitos, interconectados, que son vitales para el sustento de humanos y otras cosas vivientes. El futuro de la hidrogeología posiblemente esté determinado por el balance sutil con el cual funcionan los ciclos nutricionales, erosionales e hidrológicos, y la decisión de una sociedad tecnológica para ya sea adaptarse a las restricciones impuestas por el balance o para continuar con la explotación de los sistemas hidrogeológicos para un beneficio máximo. Aunque existe actualmente una tendencia hacia la conciencia ambiental y ecológica, las actitudes humanas podrían cambiar en caso de que grandes partes del mundo poblado estén sujetas a las presiones de sequías que duran por muchas décadas.

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Résumé Cet article est une rétrospective de lévolution de lhydrogéologie en Amérique du Nord sur les deux derniers siècles, et une brève évaluation de son futur. Lhistoire de lhydrogéologie est marquée par le développement de plusieurs techniques de terrain telles, lhydrologie des eaux souterraines, la mécanique des sols, les sciences du sol, la géologie économique, l ingénierie pétrolière, la géologie structurale, la géochimie, la géophysique, la géologie marine et plus récemment lécologie. La science a été enrichie par la contribution de plusieurs chercheurs distingués, provenant de toutes ces branches. A présent, lhydrogéologie est à la transition entre la volonté de découvrir de nouvelles ressources et l exploitation la plus bénéfique au possible, et un management judicieux des ressources finies, interconnectées, qui sont vitales pour l approvisionnement des hommes et autres formes de vie. Le futur de l hydrogéologie sera dicté par la balance subtile dans laquelle intervient les cycles de lhydrologie, de lérosion, de la nutrition, et la décision dune société technologique qui sadapterait aux contraintes de la balance, ou qui continuerait dexploiter les systèmes hydrologiques pour un bénéfice maximum. Par ailleurs il y a une nette tendance à inclure les aspects écologiques, les aspects environnementaux, et les changements humains qui pourraient être influencés par les modifications hydrogéologiques observées depuis une dizaine dannées.

     

Development of a sharp interface model that simulates coastal aquifer flow with the coupled use of GIS

A simulation program, which works seamlessly with GIS and simulates flows in coastal aquifers, is presented in the present paper. The model is based on the Galerkin finite element discretization scheme and it simulates both steady and transient freshwater and saltwater flow, assuming that the two fluids are separated by a sharp interface. The model has been verified in simple cases where analytical solutions exist. The simulation program works as a tool of the GIS program, which is the main database that stores and manages all the necessary data. The combined use of the simulation and the GIS program forms an integrated management tool offering a simpler way of simulating and studying saline intrusion in coastal aquifers. Application of the model to the Yermasogia aquifer illustrates the coupled use of modeling and GIS techniques for the examination of regional coastal aquifer systems.

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Resumen Se ha desarrollado un modelo casi tridimensional de elementos finitos para simular el flujo de agua dulce y salada, tanto en régimen estacionario como en transitorio, en sistemas acuíferos costeros, bajo la hipótesis de separación por medio de una interfaz abrupta. Las ecuaciones del modelo han sido discretizadas mediante un esquema de Galerkin de discretización en elementos finitos. El modelo ha sido verificado en casos sencillos para los que existe solución analítica. Todos los datos necesarios se introducen y gestionan con un Sistema de Información Geográfica [SIG] por ordenador. El programa de simulación forma parte del programa de SIG, constituyendo una herramienta integrada de gestión para estudiar la intrusión salina en acuíferos costeros. La aplicación del modelo al acuífero de Yermasogia ilustra el uso acoplado de las técnicas de modelación y de SIG con el fin de examinar sistemas acuíferos costeros a escala regional.

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Résumé Pour étudier un système aquifère côtier, nous avons développé un modèle aux éléments finis en quasi 3-D qui simule les écoulements deau douce et deau salée en régime aussi bien permanent que transitoire. Les équations qui les régissent sont discrétisées par un schéma de discrétisation de Garlekin aux éléments finis. Le modèle a été vérifié dans des cas simples où il existe des solutions analytiques. Toutes les données nécessaires sont introduites et gérées grâce à un logiciel de gestion de SIG. Le programme de simulation est utilisé comme un outil du logiciel de SIG, constituant ainsi un outil de gestion intégrée dont le but est de simuler et détudier lintrusion saline dans les aquifères côtiers. Lapplication du modèle à laquifère de Yermasogia illustre lutilisation couplée de la modélisation et des techniques de SIG pour létude des systèmes aquifères côtiers régionaux.

     

Quaternary Aquifer of the North China Plain—assessing and achieving groundwater resource sustainability

The Quaternary Aquifer of the North China Plain is one of the worlds largest aquifer systems and supports an enormous exploitation of groundwater, which has reaped large socio-economic benefits in terms of grain production, farming employment and rural poverty alleviation, together with urban and industrial water-supply provision. Both population and economic activity have grown markedly in the past 25 years. Much of this has been heavily dependent upon groundwater resource development, which has encountered increasing difficulties in recent years primarily as a result of aquifer depletion and related phenomena. This paper focuses upon the hydrogeologic and socio-economic diagnosis of these groundwater resource issues, and identifies strategies to improve groundwater resource sustainability.

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Resumen El acuífero cuaternario de la Llanura Septentrional de China es uno de los mayores sistemas acuíferos del mundo y soporta una enorme explotación de su agua subterránea, las cuales han originado grandes beneficios socioeconómicos en términos de producción de grano, empleo en agricultura y mitigación de la pobreza rural, además de proveer agua para abastecimiento urbano e industria. Tanto la población como la actividad económica han crecido mucho en los últimos 25 años con una gran dependencia de las aguas subterráneas, que ha encontrado dificultades recientes por la explotación intensiva del acuífero y fenómenos relacionados. Este artículo se centra en la diagnosis hidrogeológica y socioeconómica de los problemas relacionados con las aguas subterráneas e identifica estrategias para mejorar la sustentabilidad de este recurco.

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Résumé Laquifère Quaternaire de la Plaine du Nord de la Chine est lun des plus grands systèmes aquifères du monde; il permet une exploitation énorme deau souterraine, qui a permis des très importants bénéfices socio-économiques en terme de production de céréales, demplois ruraux et de réduction de la pauvreté rurale, en même temps que lapprovisionnement en eau potable et pour lindustrie. La population comme lactivité économique ont remarquablement augmenté au cours de ces 25 dernières années. Elles ont été sous la forte dépendance du développement de la ressource en eau souterraine, qui a rencontré des difficultés croissantes ces dernières années, du fait du rabattement de laquifère et des phénomènes associés. Cet article est consacré aux diagnostiques hydrogéologique et socio-économique des retombées de cette ressource en eau souterraine; il identifie les stratégies pour améliorer la pérennité des ressources en eau souterraine.

     

Hydrochemical tracers in the middle Rio Grande Basin,USA: 1. Conceptualization of groundwater flow

Chemical and isotopic data for groundwater from throughout the Middle Rio Grande Basin, central New Mexico, USA, were used to identify and map groundwater flow from 12 sources of water to the basin, evaluate radiocarbon ages, and refine the conceptual model of the Santa Fe Group aquifer system.Hydrochemical zones, representing groundwater flow over thousands to tens of thousands of years, can be traced over large distances through the primarily siliciclastic aquifer system. The locations of the hydrochemical zones mostly reflect the modern predevelopment hydraulic-head distribution, but are inconsistent with a trough in predevelopment water levels in the west-central part of the basin, indicating that this trough is a transient rather than a long-term feature of the aquifer system. Radiocarbon ages adjusted for geochemical reactions, mixing, and evapotranspiration/dilution processes in the aquifer system were nearly identical to the unadjusted radiocarbon ages, and ranged from modern to more than 30 ka. Age gradients from piezometer nests ranged from 0.1 to 2 year cm^–1 and indicate a recharge rate of about 3 cm year^–1 for recharge along the eastern mountain front and infiltration from the Rio Grande near Albuquerque. There has been appreciably less recharge along the eastern mountain front north and south of Albuquerque.

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Resumen Se utilizaron datos químicos e isotópicos de agua subterránea a lo largo de la cuenca central del río Grande, Nuevo México, EEUU, para identificar y mapear el flujo de agua subterránea de 12 fuentes de agua a la cuenca para evaluar edades por medio de radio carbon y para refinar el modelo conceptual del sistema acuífero del Grupo Santa Fé. Se puede establecer zonas hidrotérmicas que representan el flujo de agua subterránea a lo largo de miles a miles de decenas de años en grandes distancias a través del sistema acuífero principalmente siliclástico. Las ubicaciones de las zonas hidroquímicas mayormente reflejan la distribucion de la cabeza hidráulica pre-desarollo moderna pero son inconsistentes con una depresión en los niveles de agua pre-desarollo en la zona central oeste de la cuenca. Esto indica que esta depresión es un rasgo transitorio y no un rasgo de largo plazo del sistema acuífero. Las edades de radio carbon ajustadas para los procesos de reaciones geoquímicas, de mezclado y de evapotranspiración-dilución son casi idénticas a los edades de radio carbon no ajustadas oscilan en un rango desde la modernidad a 30 mil años. Las gradientes de edad de nidos de piezometros van de 0.1 a 2 años cm^–1 e indican un sitio de recarga de aproximadamente 3 cm/yr para la recarga a lo largo del frente montañoso oriental e infiltración del río Grande cerca de Albuquerque. Se aprecia una recarga menor a lo largo del frente oriental de montañas al norte y al sur de Albuquerque.

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Résumé Des données sur les éléments chimiques et les isotopes présents dans leau souterraine prélevée à divers endroits dans le bassin moyen du Rio Grande, au centre du Nouveau-Mexique (É-U), ont permis de déterminer lexistence et létendue de douze sources deau régionales dans le bassin, dévaluer les âges radiocarbones et de raffiner le modèle conceptuel du système aquifère du groupe de Santa Fe. Des zones hydro-chimiques qui représentent lécoulement de leau souterraine depuis des dizaines de milliers dannées peuvent être suivies sur de longues distances à travers laquifère principalement siliclastique. La position des zones hydro-chimiques reflète principalement la distribution moderne des charges hydrauliques mais est incohérente avec une dépression dans le niveau deau dans la partie centre-ouest du bassin, ce qui indique que cette dépression est un élément transitoire du système aquifère plutôt quun élément à long terme. Les âges radiocarbones ajustés aux réactions géochimiques et aux processus de mélange et dévapotranspiration/dilution qui ont lieu dans laquifère sont presque identiques aux âges non ajustés et varient de la période moderne jusquà 30 ka. Les gradients dâge établis à partir des nids de piézomètres sétendent de 0.1 à 2 a cm^–1 et suggèrent un taux de recharge denviron 3 cm a^–1 le long du front des montagnes à lest et pour linfiltration provenant du Rio Grande près dAlbuquerque. Il y a eu substantiellement moins de recharge le long du front des montagnes à lest, au nord et au sud dAlbuquerque.

     

Identifying sources of groundwater in the lower Colorado River valley, USA, with δ18O, δD, and 3H: implications for river water accounting

Isotope measurements (¹⁸O, D, ³H) indicate groundwater origin in the Lower Colorado River Valley (LCRV) and provide an alternative, or supplement, to the US Bureau of Reclamations proposed accounting surface method. The accounting surface method uses a hydraulic criterion to identify certain wells away from the flood plain that will eventually yield mainstream Colorado River water. New isotope data for 5 surface-water and 18 groundwater sites around Topock Marsh, Arizona, are compared with river-water data (1974–2002) from 11 sites between Utah and Mexico and with groundwater data from previous LCRV studies. Three groundwater sources are repeatedly identified in the LCRV: (1) local recharge derived from precipitation, usually winter rain, plots slightly below the global meteoric water line (GMWL) and has D values that are 20 greater than those of recent river water; (2) older (pre-1950) upper basin river-water plots on or near the GMWL, distinct from local rainfall and recent river water; and (3) recent (post-1950) Colorado River water, including Topock Marsh samples, plots below the GMWL along an evaporation trend. Large floods, as in 1983, complicate interpretation by routing less evaporated upper basin water into the LCRV; however, tritium content can indicate the age of a water. River-water tritium has declined steadily from its peak of 716 TU in 1967 to about 11 TU in 2002. Mixtures of all three groundwater sources are common.

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Resumen Mediciones isotópicas (¹⁸O, D, ³H) indican cual es el origen del agua subterránea en el Valle Bajo del Río Colorado (LCRV) y aportan una alternativa, o complemento, para el método superficie de conteo propuesto por el Buró de Reclamación de Estados Unidos. El método superficie de conteo utiliza un criterio hidráulico para identificar ciertos pozos alejados de la planicie de inundación que eventualmente producirán agua a partir de la corriente principal del Río Colorado. Los nuevos datos isotópicos para 18 sitios de agua subterránea y 5 sitios de agua superficial cerca de los Pantanos Topock, Arizona, se comparan con datos de agua de río (1974–2002) provenientes de 11 sitios localizados entre Utah y México, y con datos de aguas subterráneas de estudios previos realizados en el LCRV. Se identifican reiteradamente tres fuentes de aguas subterráneas en el LCRV: (1) recarga local derivada de precipitación, generalmente lluvia de invierno, cuya composición cae ligeramente por debajo de la línea de agua meteórica global (GMWL) y tiene valores D que son 20 mayores que los reportados para agua de río reciente; (2) el agua de río más vieja (pre-1950) de la cuenca alta cuya composición cae sobre o cerca de la GMWL, diferente de la lluvia local y del agua de río reciente; (3) agua reciente (post-1950) del Río Colorado, incluyendo muestras de los Pantanos Topock, con composición por debajo de la GMWL a lo largo de una tendencia a la evaporación. Inundaciones grandes, como en 1983, complican la interpretación al transmitir menos agua evaporada de la cuenca alta hacia el LCRV; sin embargo, el contenido de tritio puede indicar la edad del agua. El contenido de tritio en agua de río ha disminuido constantemente desde la concentración pico de 716 TU en 1967 a cerca de 11 TU en 2002. Es común que exista mezclas de las tres fuentes de agua subterránea.

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Résumé Les mesures isotopiques (d18O, dD, 3H) indiquent les origine de leaux souterraines dans la Vallée de la Rivière du Bas Colorado (LCRV) et sont une alternative, ou un supplément, à la méthode des bilans hydrologiques proposée par du «US Bureau of Reclamation». Cette méthode de bilan hydrologique utilise un critère hydraulique permettant didentifier certains puits hors de la plaine dinondation qui pomperaient une part non négligeable de leur eau dans la rivière Colorado. De nouvelles données isotopiques provenant de 5 sites deau de surface et 18 deaux souterraines autour de Topock Marsh en Arizona, sont comparées avec les données (1974–2000) de 11 sites localisés entre Utah et Mexico, ainsi que des données dautres études sur la LCRV. Ces sources deaux souterraines sont identifiées à plusieurs reprises dans la LCRV: (1) la recharge locale dérivant des précipitations, généralement les pluies hivernales, se retrouvent légèrement sous la ligne deau météoritique globale (GMWL) et possède des valeurs de dD 20% supérieures aux valeurs des eaux récentes de la rivière; (2) les eaux vieilles (pre-1950) du bassin supérieur de la rivière possèdent une valeurs très proches de la GMWL, distinctes des valeurs de la pluie locale et des eaux récentes de la rivière; et (3) les eaux récentes (post-1950) de la Rivière Colorado, incluant les échantillons de Topock Marsh, se positionnent à côté de la GMWL sur une droite dévaporation. Les grandes inondations, par exemple celle de 1983, compliquent linterprétation en reprenant dans la LCRV moins deaux marquées comme évaporées et provenant du bassin supérieur; par ailleurs le pic de tritium est descendu de 716 TU en 1967 à 11 TU en 2002. Les mélanges de ces trois sources sont assez fréquentes.

     

Downstream of downtown: urban wastewater as groundwater recharge

Wastewater infiltration is often a major component of overall recharge to aquifers around urban areas, especially in more arid climates. Despite this, such recharge still represents only an incidental (or even accidental) byproduct of various current practices of sewage effluent handling and wastewater reuse. This topic is reviewed through reference to certain areas of detailed field research, with pragmatic approaches being identified to reduce the groundwater pollution hazard of these practices whilst attempting to retain their groundwater resource benefit. Since urban sewage effluent is probably the only natural resource whose global availability is steadily increasing, the socioeconomic importance of this topic for rapidly developing urban centres in the more arid parts of Asia, Africa, Latin America and the Middle East will be apparent.

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Resumen La infiltración de aguas residuales es a menudo un componente principal de la recarga total en acuíferos ubicados en torno a zonas urbanas, especialmente en los climas más áridos. A pesar de ello, dicho componente todavía es una consecuencia secundaria (o incluso accidental) de diversas prácticas asociadas con la manipulación de las aguas residuales y con la reutilitzación de aguas depuradas. Este tema se revisa mediante referencias a ciertas áreas en las que existen investigación detallada de campo, identificando enfoques pragmáticos con el fin de reducir el riesgo de contaminación de las aguas subterráneas por tales prácticas, a la vez tratando de conservar los beneficios para los recursos del acuífero. Dado que los efluentes de aguas residuales urbanas son probablemente la única fuente natural cuya disponibilidad global se halla en del aumento, la importancia socioeconómica de este tema será evidente para los centros urbanos de rápido desarrollo en Asia, Latinoamérica y Oriente Medio.

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Résumé Linfiltration des eaux usées est souvent la composante essentielle de toute la recharge des aquifères des zones urbaines, particulièrement sous les climats les plus arides. Malgré cela, une telle recharge ne constitue encore quun sous-produit incident, ou même accidentel, de pratiques courantes variées du traitement de rejets dégouts et de réutilisation deaux usées. Ce sujet est passé en revue en se référant à certaines régions étudiées en détail, par des approches pragmatiques reconnues pour permettre de réduire les risques de pollution des nappes dues à ces pratiques tout en permettant den tirer profit pour leur ressource en eau souterraine. Puisque les effluents dégouts urbains sont probablement la seule « ressource naturelle » dont la disponibilité globale va croissant constamment, limportance socio-économique de ce sujet est évidente pour les centres urbains à développement rapide de lAsie, de lAfrique, de lAmérique latine et du Moyen-Orient.