Solute transport in a single fracture with negligible matrix permeability: 2. mathematical formalism

This report provides an overview of the mathematical expressions for modeling fundamental solute transport mechanisms at the fracture scale. It focuses on low-permeability rocks where advection in the matrix is negligible as compared to that in fractures. The following processes are considered: (1) advective transport in fractures, (2) hydrodynamic dispersion along the fracture axis, (3) molecular diffusion from the fracture to the porous matrix, (4) sorption reactions on the fracture walls and within the matrix, and (5) decay reactions. The aim of this review is to gather in a single article the transport equations and their analytical solutions, using a homogeneous notation to facilitate comparison and exploitation.

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Resumen Este informe proporciona una revisión de las expresiones matemáticas para modelar los mecanismos fundamentales de transporte de solutos a escala de fracturas. Se centra en rocas de baja permeabilidad donde la advección en la matriz es despreciable en comparación con la de las fracturas. Se considera los procesos siguientes: (1) transporte advectivo en las fracturas; (2) dispersión hidrodinámica a lo largo del eje de la fractura; (3) difusión molecular desde la fractura a la matriz porosa; (4) reacciones de sorción en la pared de la fractura y en la matriz; y (5) reacciones de degradación. El propósito de esta revisión es reunir en un único artículo las ecuaciones de transporte y sus soluciones analíticas con una notación homogénea para facilitar su comparación y aplicación.

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Résumé Ce rapport présente une vue d'ensemble des expressions mathématiques proposées dans la littérature pour modéliser le transport de soluté à l'échelle de la fracture. L'accent est mis sur les roches faiblement perméables où le transport par convection dans la matrice rocheuse peut être considéré comme négligeable devant le transport dans les fractures. Les processus considérés sont les suivants: (1) transport par convection dans les fractures, (2) dispersion hydrodynamique, (3) échanges de soluté par diffusion moléculaire entre les fractures et la matrice rocheuse, (4) réactions de sorption sur les parois des fractures et à l'intérieur de la matrice et (5) réactions de décroissance. L'objectif premier de cette revue est de rassembler les équations de transport et leurs solutions analytiques en utilisant une notation homogène pour faciliter leur utilisation et les comparaisons.

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Constraining performance assessment models with tracer test results: a comparison between two conceptual models

Tracer tests are conducted to ascertain solute transport parameters of a single rock feature over a 5-m transport pathway. Two different conceptualizations of double-porosity solute transport provide estimates of the tracer breakthrough curves. One of the conceptualizations (single-rate) employs a single effective diffusion coefficient in a matrix with infinite penetration depth. However, the tracer retention between different flow paths can vary as the ratio of flow-wetted surface to flow rate differs between the path lines. The other conceptualization (multirate) employs a continuous distribution of multiple diffusion rate coefficients in a matrix with variable, yet finite, capacity. Application of these two models with the parameters estimated on the tracer test breakthrough curves produces transport results that differ by orders of magnitude in peak concentration and time to peak concentration at the performance assessment (PA) time and length scales (100,000 years and 1,000 m). These differences are examined by calculating the time limits for the diffusive capacity to act as an infinite medium. These limits are compared across both conceptual models and also against characteristic times for diffusion at both the tracer test and PA scales. Additionally, the differences between the models are examined by re-estimating parameters for the multirate model from the traditional double-porosity model results at the PA scale. Results indicate that for each model the amount of the diffusive capacity that acts as an infinite medium over the specified time scale explains the differences between the model results and that tracer tests alone cannot provide reliable estimates of transport parameters for the PA scale. Results of Monte Carlo runs of the transport models with varying travel times and path lengths show consistent results between models and suggest that the variation in flow-wetted surface to flow rate along path lines is insignificant relative to variability in the amount of diffusive capacity that can be accessed along the transport pathway.

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Resumen Delimitando la eficacia de modelos de evaluación con resultados de pruebas de trazadores: una comparación entre dos modelos conceptuales.Se llevaron a cabo pruebas de trazadores para evaluar los parámetros de transporte de solutos en un rasgo rocoso a lo largo de una trayectoria de transporte de 5 m. Dos diferentes conceptualizaciones del transporte de solutos de porosidad doble aportan estimados de las curvas de avance de trazadores. Una de las conceptualizaciones (ritmo único) utiliza un coeficiente de difusión efectiva único en una matriz con profundidad de penetración infinita. Sin embargo, la retención del trazador entre diferentes trayectorias de flujo puede variar debido a que la relación entre la superficie mojada de flujo y el ritmo de flujo difiere entre las líneas de trayectoria. La otra conceptualización (multi-ritmo) utiliza una distribución continua de coeficientes de ritmos de difusión múltiple en una matriz con capacidad variable pero finita. La aplicación de los dos modelos con los parámetros estimados en base a las curvas de avance de trazadores producen resultados de transporte que difieren en varios órdenes de magnitud, tanto en concentración pico como en el tiempo en que se alcanza la concentración pico, en las escalas de evaluación de eficacia (PA) de tiempo y longitud (100,000 años y 1,000 m). Estas diferencias se examinan mediante el cálculo de límites de tiempo en que se considera que la capacidad difusiva actúa como un medio infinito. Estos límites se comparan en ambos modelos conceptuales y contra los tiempos característicos para difusión en escalas de PA y de prueba de trazador. Adicionalmente, se examinan las diferencias entre los modelos calculando de nuevo los parámetros para el modelo multi-ritmo a partir del modelo tradicional de doble porosidad a escala PA. Los resultados indican que para cada modelo la cantidad de la capacidad difusiva que actúa como un medio infinito sobre la escala de tiempo especificada explica las diferencias entre los resultados del modelo y que las pruebas de trazadores por sí solas no aportan cálculos confiables de los parámetros de transporte para la escala PA. Los resultados provenientes de corridas Monte Carlo de los modelos de transporte con distintos tiempos de viaje y diferentes longitudes de trayectorias muestran resultados consistentes entre modelos y sugieren que la variación en la relación de superficie de flujo mojada a ritmo de flujo a lo largo de las líneas de trayectoria es insignificante en relación con la variabilidad en la cantidad de capacidad difusiva que puede alcanzarse a lo largo de la trayectoria de transporte.

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Résumé Contraindre le bilan des performances des modèles avec les résultats de traçages: une comparaison entre deux modèles conceptuels.Des tests de traçage sont mis en oeuvre pour étudier les paramètres de transport de soluté dune roche sur une longueur de 5 m. Deux différents modèles de transport de soluté dans un milieu à double porosité fournissent des estimation des courbes de restitution. Lune des conceptualisations (unique taux de restitution) emploie un seul coefficient effectif de diffusion dans une matrice possédant une pénétration infinie en profondeur. Par ailleurs, la rétention du traceur entre les différentes lignes découlement peut varier comme le rapport des débits aux surfaces mouillées et comme le rapport de la différence de débits entres les lignes découlement. Lautre conceptualisation (taux multiple) emploie une distribution continue de coefficients de diffusion dans une matrice à capacité variable et finit. Lapplication de ces deux modèles avec les pa! ramètres estimés grâce aux courbes de restitution produit des résultats de transport qui différent de plusieurs ordres de grandeur dans la magnitude du pic, le temps du pic de concentration, au bilan des performances (PA) et aux échelles de distance (100,000 ans et 1,000 m). Ces différences sont éxaminées par lintermédiaire des temps limites pour que la capacité diffusive équivaille à un milieu infini. Ces limites sont comparées à travers les modèles conceptuels ainsi que les temps caractéristiques de diffusion à léchelle du test de traçage et à léchelle du PA. Par ailleurs, les différences entre les modèles sont éxaminées en réestimant les paramètres pour le modèle à taux multiple à partir des résultats du modèle à double porosité à léchelle du PA. Les résultats indiquent que pour chaque modèle la valeur de la capacité diffusive dans un milieu infini sur une période de temps spécifiée explique les différences entre les modèles et le ! fait que le test de traçage seul ne permet pas de déterminer les paramètres de transport à léchelle du PA. Les résultats des simulations Monte Carlo du modèle de transport avec des temps et des distances de transport variables montrent des résultats concordances entre les différents modèles et suggère que la variation que la variation entre surface mouillée et le rapport de la différence de débits entre les lignes découlement est insignifiante, en regard de la variabilité du montant de la capacité diffusive qui peut être accessible le long de la ligne de transport.

     

Review of the use of Péclet numbers to determine the relative importance of advection and diffusion in low permeability environments

In low permeability environments, transport by advection is often neglected based on a Péclet number criterion. Such a criterion usually states that if the Péclet number (Pe) is much smaller than 1, diffusion dominates over advection and transport may be modeled considering diffusion only. Unfortunately, up to 10 different Péclet number definitions exist and for a particular case these different definitions lead to very diverse Péclet number values, differing several orders of magnitude from each other. In this paper, the different Péclet number definitions are therefore evaluated on their ability to determine the relative importance of transport by advection and by diffusion in low permeability environments. This is done by comparing the results of the analytical solution for pure diffusion with the analytical solution for diffusion, advection and dispersion for a large number of different input parameter values. The relation between the different Péclet numbers and the difference between the calculated concentration considering diffusion only and the calculated concentration considering both diffusion and advection is studied. These calculations show that some Péclet number definitions are not well suited to decide whether advection may be neglected in low permeability media.

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Resumen Frecuentemente se descuida el transporte por avección en ambientes de baja permeabilidad sobre la base del criterio del número de Péclet. Dicho criterio usualmente sostiene que si el número de Péclet (Pe) es mucho menor a 1, la difusión domina sobre la avección y es posible modelar el transporte considerando la difusión únicamente. Desafortunadamente existen 10 definiciones diferentes del número de Péclet y para un caso en particular estas diferentes definiciones conducen a valores de número de Péclet muy diversos los cuales difieren entre sí en varias magnitudes. Por lo tanto, en este artículo se evalúan las diferentes definiciones en base a su habilidad para determinar la importancia relativa del transporte por avección y difusión en ambientes de baja permeabilidad. Esto se lleva a cabo mediante la comparación de los resultados de la solución analítica para difusión pura con los de la solución analítica por difusión, avección y dispersión para un número amplio de diferentes valores como parámetro. Se ha estudiado la relación entre los diferentes números de Péclet y las diferencias entre la concentración calculada considerando difusión únicamente y considerando tanto difusión como avección. Estos cálculos muestran que algunas de las definiciones de los números de Péclet no son muy apropiadas par decidir si se puede descuidar la avección en medios de baja permeabilidad.

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Résumé Dans les milieux à faible perméabilité, le transport par advection est souvent négligeable lorsquon se base sur le critère du nombre de Péclet. Un tel critère suggère habituellement que pour un nombre de Péclet beaucoup plus petit que 1, la diffusion domine sur ladvection et que le transport peut être modélisé par diffusion seulement. Malheureusement, il existe jusquà environ dix définitions du nombre de Péclet et pour un cas spécifique, ces différentes définitions mènent à des valeurs du nombre de Péclet très différentes, et qui varient entre elles de plusieurs ordres de grandeur. Dans cet article, les différentes définitions du nombre de Péclet sont évaluées en fonction de leur habileté à déterminer limportance relative du transport par advection et par diffusion dans les milieux à faible perméabilité. Ceci est fait en comparant les résultats de la solution analytique pour la diffusion pure à la solution analytique pour la diffusion, ladvection et la dispersion, et ce, pour un grand nombre de valeurs différentes comme paramètre dentrée. La relation entre les différents nombres de Péclet et la différence entre la concentration calculée en considérant la diffusion seulement et la concentration calculée considérant simultanément la diffusion et ladvection est étudiée. Ces calculs prouvent que certaines définitions de nombre de Péclet ne sont pas appropriées afin de décider si ladvection peut être négligée dans les milieux à faible perméabilité.

     

Response of the Dupi Tila aquifer to intensive pumping in Dhaka,Bangladesh

This paper focuses on the water-quantity issues facing Dhaka because of the rapid exploitation of the Dupi Tila aquifer. Dhaka is one of the world's largest groundwater-dependent cities, relying on water withdrawn from this underlying semiconfined sand aquifer. A meteoric rise in well construction in both the private and public sectors in recent years has produced an estimated 1,300 boreholes that tap the aquifer in urban and suburban parts of the city. Analysis of construction records for public-supply wells drilled between 1970 and 2000 shows that water levels are falling in several areas of the city despite apparently favorable recharge conditions. The productivity of boreholes as measured by specific capacity has also declined significantly. Even though the aquifer system is vital to the infrastructure of the city it remains a poorly quantified resource, and until this is resolved by investment in evaluation studies, attempts to efficiently manage the resource in a sustainable way will be frustrated.

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Resumen Este artículo trata de los aspectos cuantitativos relacionados con la sobreexplotación del acuífero de Dupi Tila, que suministra a la ciudad de Dhaka (Bangladesh). Ésta es una de las mayores ciudades del mundo con dependencia de las aguas subterráneas, y se abastece de un acuífero semiconfinado formado por arenas. El aumento meteórico en la construcción de pozos durante los últimos años, tanto en el sector público como en el privado, ha provocado que haya unas 1.300 captaciones del acuífero en las zonas urbana y suburbana de la ciudad. El análisis de los registros constructivos de pozos de abastecimiento público entre 1970 y 2000 muestra que los niveles piezométricos están descendiendo en diversas áreas de la ciudad, a pesar de la existencia de condiciones aparentemente favorables de recarga. La productividad de los pozos, determinada por su capacidad específica, también ha disminuido significativamente. Aunque el sistema acuífero es vital para la infraestructura de la ciudad, los recursos aún no han sido cuantificados adecuadamente. Hasta que este asunto no sea resuelto mediante la inversión en estudios de evaluación, los intentos por gestionar eficientemente los recursos de forma sustentable serán infructuosos.

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Résumé Cet article porte sur les pertes en quantité subies par Dacca du fait de l'exploitation rapide de l'aquifère de Dupi Tila. Dacca est l'une des villes dépendant de l'eau souterraine les plus importantes du monde, prélevant l'eau d'un aquifère sableux sous-jacent semi-captif. On estime à 1,300 forages l'accroissement des creusements de puits aussi bien dans le secteur privé que public dans ces dernières années; ils prélèvent dans l'aquifère dans la partie urbaine et à la périphérie de la ville. L'analyse des déclarations de creusement de puits pour l'AEP forés entre 1970 et 2000 montre que les niveaux d'eau ont chuté dans plusieurs zones de la ville malgré des conditions de recharge apparemment favorables. La productivité des puits mesurée par la capacité spécifique a également diminué significativement. Même si le système aquifère est vital pour l'infrastructure de la ville, il reste une ressource médiocrement quantifiée, et tant que ceci ne sera pas résolu par un investissement dans des études d'évaluation, les tentatives pour gérer efficacement la ressource de façon durable échoueront.

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Radon distribution in groundwater of Taiwan

Radon levels were surveyed in 517 monitoring wells constructed in five major groundwater areas of Taiwan. The radon concentration in groundwater samples varied in a wide range from below the detection limit of 18 pCi/L up to 1,100 pCi/L. A worldwide comparison of reported groundwater radon levels was conducted. Overall radon levels in Taiwan groundwater are relatively low compared to other countries because the geology of Taiwan is mainly comprised of sedimentary rocks. Among the 517 wells monitored, only five wells were found with radon concentrations higher than 500 pCi/L. These five wells are all located near the Chaochou Fault in the Pingtung Plain. This study suggests that well sites near the Chaochou Fault could be good locations to monitor radon anomalies for earthquake prediction and should be avoided for developing domestic water supply. In the recharge area near the Chaochou Fault, the radon concentration in groundwater from shallow wells was approximately 1/2 to 1/4 of that from deep wells in the same cluster.

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Resumen Se investigaron los niveles de radón en 517 pozos de monitoreo, construidos en las cinco mayores áreas de agua subterránea de Taiwan. La concentración de radón en las muestras de agua subterránea varía en un rango amplio, desde inferior al límite de detección que es 18 pCi/L hasta 1,100 pCi/L. Se realizó una comparación a escala mundial de los niveles de radón reportados en agua subterránea. En general los niveles de radón presente en el agua subterránea de Taiwan, son relativamente bajos comparados con otros países, puesto que la geología de Taiwan está compuesta de rocas sedimentarias. Entre los 517 pozos monitoreados, solamente en cinco se encontraron concentraciones de radón mayores a 500 pCi/L. Estos cinco pozos están todos localizados cerca de la falla ChaoChou en la Planicie de PingTung. El presente estudio sugiere que los pozos cercanos a la falla Chaochou, podrían ser buenos sitios para monitorear anomalías de radón para la predicción de terremotos y deberían evitarse para los desarrollos de abastecimiento de agua potable. En la zona de recarga cerca de la falla Chaochou, la concentración de radón en agua subterránea obtenida en pozos someros, fue aproximadamente de &frac; a &frac; de aquella en pozos profundos ubicados en el mismo sector.

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Résumé On a mesuré les taux de Rn dans 517 forages ouverts dans cinq aquifères majeures de Taiwan. Les concentrations en Rn couvrent un domaine très large, à partir de valeurs très basses, au dessous de la limite de détection de 18pCi/l jusquaux valeurs assez grandes de 1100pCi/l. On a mené une analyse comparative avec des valeurs mentionnées en littérature. Par report aux valeurs mesurées en autres pays, les concentrations en Rn en Taiwan sont asses basses, compte que la structure géologique de Taiwan est constituée surtout par des roches sedimentaires. On a trouvé des concentrations au desuss de 500pCi/l seulement en cinq de 517 forages investigués. Tous ces cinq forages se trouvent au voisinage de la faille de Chaochou dans la plaine de Pingtung. Cet étude suggere que les forages situés près de la faille de Chaochou peuvent bien monitoriser les anomalie de Rn pour la prédiction des séismes mais doivent être évités lorsqil sagit de lalimentation en eau potable. Dans la zone de recharge près de la faille de Chaochou les concentrations en Rn mesurées dans les puits peu profondes representent 1/2-1/4 de ceux mesurées dans les forages de profondeur.

     

Hydrogeological investigation of mud-mound springs developed over a weathered basalt aquifer on the Liverpool Plains,New South Wales,Australia

The growth and collapse of mud mounds at a site on the Liverpool Plains in northern New South Wales, Australia has been observed over a 12-year period. The mud mounds appeared in a flat field for the first time in living memory in 1989, but their prior existence in the early Holocene is indicated by archaeological data. The piezometric head in bores drilled through a 7-m bed of clayey silt and screened in weathered basalt at a depth of 8 m was more than 2 m above ground level. Clay has been carried in suspension by water seeping to the ground surface where it has accumulated and formed a mound. Approximately eight years after their initial appearance, the growth of the mounds stopped and within a further three years they had almost completely disappeared.Mechanisms for the growth and decay of the mounds are reviewed. The chemistry of the shallow bore water and the water seeping from the surface of the mounds was dominated by sodium bicarbonate with a 4 mEq/l increase between the weathered basalt and the surface of the mound. Inverse modelling (PHREEQC) is used to determine possible chemical reactions that can account for this increase.

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Electronic Supplementary Material Supplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s10040-003-0278-0.

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Resumen Se ha observado durante 12 años el crecimiento y el colapso de montículos de lodo en un emplazamiento ubicado en las Llanuras de Liverpool, en el estado australiano de Nueva Gales del Sur. Según la memoria existente, los montículos de lodo aparecieron en un campo llano por vez primera en 1989, pero, por datos arqueológicos, se conoce de su existencia a comienzos del Holoceno. Los niveles piezométricos en sondeos perforados a través de 7 m de limos arcillosos y ranurados en el basalto meteorizado a 8 m son superiores en más de 2 m a la superficie del terreno. La arcilla es portada en suspensión por el agua que descarga hacia la superficie del terreno, donde se acumula y forma el montículo. Unos 8 años después de su aparición, el crecimiento de los montículos se detiene y éstos acaban prácticamente desapareciendo en otros 3 años.Se revisa los mecanismos que originan el crecimiento y desaparición de los montículos. La química de las aguas someras de los sondeos y del agua que se filtra desde la superficie de los montículos está dominada por bicarbonato sódico, con un incremento de 4 meq/L entre el basalto meteorizado y la superficie del montículo. Se utiliza la modelación inversa (PHREEQC) para determinar las reacciones químicas que pueden explicar dicho aumento.

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Résumé La croissance et l'effondrement de monticules de vase situés dans les plaines de Liverpool, dans le nord des Nouvelles Galles du Sud, ont été observés pendant 12 ans. Les monticules de vase sont apparus en terrain plat pour la première fois de mémoire d'homme en 1989; mais leur existence antérieure dès le début de l'Holocène est attesté par des données archéologiques. Le niveau piézométrique dans des forages traversant 7 m de silt argileux et recouvrant un basalte altéré à 8 m était de plus de 2 m au-dessus de la surface du sol. L'argile a été apportée en suspension par l'eau suintant à la surface du sol où elle s'est accumulée pour former un monticule. Environ 8 ans après leur première apparition, la croissance des monticules s'est arrêtée et ils ont presque complètement disparu dans les 3 ans qui ont suivi.Les mécanismes de croissance et de régression de ces monticules sont passés en revue. La chimie de l'eau des forages à proximité de la surface et de l'eau filtrant à la surface des monticules était dominée par le bicarbonate de sodium, avec une augmentation de 4 meq/l entre le basalte altéré et la surface du monticule. Une modélisation inverse (PHREEQC) a été mise en uvre pour déterminer les réactions possibles pouvant rendre compte de cet accroissement.

     

Impacts Of Management Practices On Groundwater Conditions In The Eastern Province,Saudi Arabia

Insufficient attention has been given to management issues of groundwater in desertic aquifers, especially pumping policies and the proper design of well fields, i.e., the spatial distribution among wells and among well fields. In Saudi Arabia, many wells have been drilled in small areas, and in some parts of the Kingdom, groundwater pumping has increased drastically during the last two decades. Heavy pumping from large numbers of clustered wells in closely spaced well fields has resulted in unacceptable impacts on water levels and water quality in these areas. Numerical techniques were used to assess the impacts of this practice in parts of the Eastern Province. If the existing water-management policies and trend of increased pumping continue, a considerable additional drawdown will occur. Therefore, proper groundwater-management and conservation schemes need to be adopted. The approaches include optimization of well-field designs and well operations, and the implementation of effective irrigation-scheduling techniques. The implementation of a comprehensive irrigation water-management system in a large irrigation project has resulted in significant recovery of groundwater in the project area in the Eastern Province. RÉSUMÉ: Trop peu d'attention a été accordée aux questions de gestion des eaux dans les aquifères désertiques, particulièrement en ce qui concerne la règlementation des pompages et le groupement judicieux des puits, i.e., la répartition en surface des puits et des champs de puits. En Arabie Saoudite, de nombreux puits ont été forés sur des surfaces réduites, et, dans certaines parties du Royaume, le pompage des eaux s'est accru de façon spectaculaire dans les deux dernières déciennes. Un pompage important à partir d'un grand nombre de puits concentrés dans des ensembles rapprochés les uns des autres a eu des effets inacceptables sur le niveau et la qualité des eaux. Des techniques d'analyse numériques ont été employées pour évaluer les conséquences de ces modes de gestion dans certaines parties de la Province de L'Est. Si l'actuelle gestion des eaux se poursuit et le pompage continue de croître, il en résultera un abaissement considérable du niveau d'eau. Il est donc nécessaire d'adopter dans ces régions des méthodes de gestion et de conservation appropriées. Ces méthodes consistent, entre autres, à optimiser l'agencement des groupements de puits et de l'opération des puits, ainsi qu'à adopter des techniques efficaces pour programmer les horaires d'irrigation. L'adoption d'un sytème intégré de gestion des eaux dans un grand programme d'irrigation a provoqué une remontée substantielle des eaux souterraines dans la partie de la Province de L'Est correspondant à la zone du projet. RESUMEN: Los problemas de gestión de las aguas subterráneas en acuíferos desérticos no han recibido suficiente atención, especialmente en lo que respecta a las políticas de captaciones y al diseño adecuado de los campos de pozos, es decir, la distribución espacial de los pozos y de los campos de pozos. En Arabia Saudita, muchos pozos se han excavado en áreas pequeñas, y en algunas partes del Reino, el bombeo de agua se ha incrementado drásticamente durante las dos últimas décadas. El fuerte bombeo en un gran número de pozos de bombeo agrupados, situados en campos de extracción próximos, ha dado lugar impactos inaceptables en los niveles y en la calidad del agua en estas áreas. Se usaron técnicas numéricas para evaluar los impactos de esta política de extracción en partes de la Provincia Oriental. Si la política de gestión del agua actual y el incremento en el bombeo se mantienen, darán lugar a un descenso de niveles adicional considerable. Por tanto, en estas áreas es necesario adoptar esquemas apropiados de gestón y conservación de las aguas subterráneas. Esto incluiría la optimización de los diseños y de los criterios de operación de los campos de pozos y la adopción de técnicas de riego efectivas. La puesta en marcha de un sistema de gestión de aguas de riego, dentro de un gran proyecto de irrigación, ha dado como resultado una recuperación significativa de los niveles de agua en el área de proyecto, situada en la Provincia Oriental.     

Karst groundwater vulnerability mapping: application of a new method in the Swabian Alb, Germany

Groundwater from karst aquifers is an important drinking water resource, which is, however, particularly vulnerable to contamination. Karst aquifers consequently need special protection. This paper discusses the concept of groundwater vulnerability mapping and the special characteristics of karst aquifers that are relevant in this context. On this basis, a new method of groundwater vulnerability mapping is proposed—the PI method. It can be applied for all types of aquifers, but provides special tools for karst. Vulnerability is assessed as the product of two factors: protective cover (P) and infiltration conditions (I). The method was first applied and compared with two other methods (EPIK and the German method) in a test site in the Swabian Alb, Germany. The results obtained with the different methods are discussed and an outlook on the role of vulnerability maps within an overall groundwater protections scheme is given.

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Resumen Las aguas subterráneas en medios kársticos suponen un recurso importante para uso de boca, pero es particularmente vulnerable a la contaminación, por lo que los acuíferos kársticos requieren una protección especial. Este artículo discute el concepto de cartografía de vulnerabilidad de las aguas subterráneas y las características propias de los acuíferos kársticos que son relevantes en este contexto. Con esta base, se propone un nuevo método para cartografiar la vulnerabilidad de las aguas subterráneas, denominado "PI". Puede ser aplicado a todo tipo de acuíferos, pero proporciona herramientas especiales en medios kársticos. Se establece la vulnerabilidad como resultado de dos factores: la cubierta protectora y las condiciones de infiltración. El método ha sido aplicado por vez primera y comparado con otros dos enfoques (EPIK y el método alemán) en un emplazamiento ubicado en Swabian Alb (Alemania). Se discute los resultados obtenidos con estos métodos y se incide en cuál es el papel que desempeñan los mapas de vulnerabilidad en el contexto de los esquemas generales de protección de las aguas subterráneas.

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Résumé L'eau souterraine des karsts est une importante ressource d'eau potable, cependant particulièrement vulnérable à la pollution. C'est pourquoi les aquifères karstiques nécessitent une protection particulière. Ce papier discute le concept de cartographie de la vulnérabilité de l'eau souterraine et les caractéristiques particulières des aquifères karstiques qui sont concernés dans ce contexte. Sur cette base, une nouvelle méthode de cartographie de la vulnérabilité de l'eau souterraine est proposée: la méthode PI. Elle peut être appliquée à tous les types d'aquifères, mais fournit des outils spécifiques au karst. La vulnérabilité est évaluée comme étant le produit de deux facteurs: les conditions de couverture protectrice (P) et d'infiltration (I). La méthode a été mise en oeuvre pour la première fois et comparée à deux autres méthodes (EPIK et la méthode allemande) sur un site test du Jura souabe (Allemagne). Les résultats obtenus avec les différentes méthodes sont discutés et le rôle des cartes de vulnérabilité dans un schéma général de protection des eaux souterraines est passé en revue.

     

Capture zone,travel time,and solute-transport predictions using inverse modeling and different geological models

Six regional-scale flow models are compared to gain insight into how different representations of hydraulic-conductivity distributions affect model calibration and predictions. Deterministic geological models were used to define hydraulic-conductivity distributions in two steady-state flow models that were calibrated to heads and baseflow estimates using inverse techniques. Optimized hydraulic-conductivity estimates from the two models were used to calculate layer and model mean hydraulic-conductivity values. Despite differences in the two geological models, inverse calibration produced mean hydraulic-conductivity values for the entire model domain that are quite similar. The layer and model mean hydraulic-conductivity values were used to generate four additional flow models and forward runs were performed. All of the models adequately simulate the observed heads and total baseflow. The six flow models were used to predict the steady-state impact of a proposed well field, and the flow solutions were used in simulating particle tracking and solute transport. Results of the predictive simulations show that, for this example, simple models of heterogeneity produce capture zones similar to more complex models, but with very different travel times and breakthroughs. Inverse modeling combined with different geological models can provide a measure of capture zone and breakthrough reliability.

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Resumen Se compara seis modelos de flujo a escala regional para conocer cómo afecta a la calibración y a la predicción del modelo diversas representaciones de la distribución de la conductividad hidráulica. Se ha utilizado modelos geológicos deterministas para definir las distribuciones de la conductividad hidráulica en dos modelos de flujo permanente, calibrados mediante técnicas inversas con niveles piezométricos y estimaciones del flujo de base. Se ha adoptado estimaciones optimizadas de la conductividad hidráulica de los dos modelos para calcular las cotas de las capas y sus conductividades hidráulicas medias. A pesar de las diferencias entre ambos modelos geológicos, con la calibración inversa se obtiene valores similares de conductividad hidráulica en todo el dominio. Estos valores de las capas y de las conductividades hidráulicas medias han servido para generar cuatro modelos adicionales de flujo y realizar predicciones. Todos los modelos simulan de forma adecuada los niveles observados y los caudales de base. Los seis modelos han sido aplicados a la predicción del impacto estacionario de un campo de pozos, y las soluciones del flujo permiten simular el transporte de partículas y de solutos. Los resultados de estas predicciones muestran que, para este ejemplo, los modelos sencillos de la heterogeneidad dan lugar a zonas de captura similares a las generadas por modelos más complejos, pero aparecen grandes diferencias en los tiempos de tránsito y en las curvas de llegada. Una combinación de modelación inversa y de modelos geológicos diferentes puede proporcionar una medida de la fiabilidad de la zona de captura y de las curvas de llegada.

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Résumé Six modèles d'écoulement à l'échelle régionale sont comparés afin d'avoir un aperçu de la manière dont les différentes représentations de la distribution de la conductivité hydraulique affectent la calibration et les prédictions de modèles. Des modèles géologiques déterministes ont été utilisés pour définir les distributions de la conductivité hydraulique dans deux modèles d'écoulement en régime permanent qui ont été calibrés avec des estimations des charges et des écoulements de base faites par des techniques inverses. Les estimations optimisées de la conductivité hydraulique de ces deux modèles ont servi à calculer les valeurs de conductivité hydraulique moyenne des couches et du modèle. Malgré des différences entre les deux modèles géologiques, la calibration inverse a donné des valeurs de conductivité hydraulique moyenne pour le domaine complet du modèle qui sont complètement semblables. Les valeurs de la conductivité moyenne des couches et du modèle ont été utilisées pour générer quatre modèles d'écoulement supplémentaires et des traitements ont été effectués. Tous les modèles simulent correctement les charges observées et l'écoulement de base total. Les six modèles ont servi à prédire l'impact en régime permanent d'un champ captant projeté et les solutions d'écoulement ont été utilisées dans une simulation par suivi de particules et de transport de soluté. Les résultats de simulations prédictives montrent que, pour cet exemple, de simples modèles d'hétérogénéité fournissent des zones de capture semblables aux modèles plus complexes, mais pour des temps de parcours et des restitutions très différents. Une modélisation inverse combinée à différents modèles géologiques peut assurer une mesure de la zone de capture et une fiabilité de la restitution.

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Geochemistry and the understanding of ground-water systems

Geochemistry has contributed significantly to the understanding of ground-water systems over the last 50 years. Historic advances include development of the hydrochemical facies concept, application of equilibrium theory, investigation of redox processes, and radiocarbon dating. Other hydrochemical concepts, tools, and techniques have helped elucidate mechanisms of flow and transport in ground-water systems, and have helped unlock an archive of paleoenvironmental information. Hydrochemical and isotopic information can be used to interpret the origin and mode of ground-water recharge, refine estimates of time scales of recharge and ground-water flow, decipher reactive processes, provide paleohydrological information, and calibrate ground-water flow models. Progress needs to be made in obtaining representative samples. Improvements are needed in the interpretation of the information obtained, and in the construction and interpretation of numerical models utilizing hydrochemical data. The best approach will ensure an optimized iterative process between field data collection and analysis, interpretation, and the application of forward, inverse, and statistical modeling tools. Advances are anticipated from microbiological investigations, the characterization of natural organics, isotopic fingerprinting, applications of dissolved gas measurements, and the fields of reaction kinetics and coupled processes. A thermodynamic perspective is offered that could facilitate the comparison and understanding of the multiple physical, chemical, and biological processes affecting ground-water systems.

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Resumen La geoquímica ha contribuido significativamente al entendimiento de los sistemas de aguas subterráneas durante los últimos 50 años. Entre los avances históricos puede incluirse el desarrollo del concento de facies hidroquímicas, la aplicación de la teoría de equilibrio, investigación de los procesos oxidación-reducción, y datación con radiocarbono. Otros conceptos, herramientas y técnicas hidroquímicas han ayudado a esclarecer los mecanismos de flujo y transporte en sistemas de agua subterránea, y han ayudado a descifrar un archivo de información paleoambiental. Información hidroquímica e isotópica puede utilizarse para interpretar el origen y modo de recarga de agua subterránea, descifrar procesos reactivos, aportar información paleohidrológica, y calibrar modelos de flujo de agua subterránea. Necesita avanzarse en la obtención de muestras representativas. Se necesitan mejoras en la interpretación de la información obtenida y en la construcción e interpretación de modelos numéricos que utilizan datos hidroquímicos. El mejor enfoque asegurará un proceso iterativo optimizado entre toma y análisis de datos de campo, interpretación, y la aplicación de herramientas de modelizado estadísticas, directas, e inversas. Se anticipan avances a partir de investigaciones microbiológicas, la caracterización de orgánicos naturales, caracterización isotópica, aplicaciones de mediciones de gas disuelto, y los campos de cinética de reacción y procesos acoplados. Se ofrece una perspectiva termodinámica que podría facilitar la comparación y entendimiento de los múltiples procesos físicos, químicos, y biológicos que afectan sistemas de aguas subterráneas.

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Résumé La géochimie a contribué de façon importante à la compréhension des systèmes deaux souterraines pendant les 50 dernières années. Les avancées ont portées sur le développement du concept des faciès hydrochimiques, sur lapplication de la théorie des équilibres, létude des processus doxydoréduction, et sur la datation au radiocarbone. Dautres concepts, outils et techniques, ont aidé à l élucidation des élucider les mécanismes découlement et de transport dans les systèmes deaux souterraines, et à la compréhension des archives informations paléo-environnementales. Les informations hydrochimiques et isotopiques peuvent être utilisées pour interpréter lorigine et le mode de recharge des eaux souterraines, affiner lestimation des temps de recharge et d écoulements, déchiffrer les processus de réaction, apporter une meilleure information paléohydrogéologique et calibrer les modèles découlement des eaux souterraines. Beaucoup de progrès ont besoin dêtre réalisés pour obtenir des échantillons représentatifs. Des améliorations sont nécessaires dans linterprétation des informations obtenues, et dans la construction et linterprétation de modèles numériques utilisant des données hydrochimiques. La meilleure approches arsurément un processus itératif optimisé entre la collection de données de terrain et lanalyse, linterprétation, et lapplication doutils de modélisation statistique, inverse et direct. Des avancées sont anticipées par les dans le demeine des études microbiologiques, dans la caractérisation des matières organiques naturelles, le marquage isotopique, les mesures de gaz dissous, les réactions cinétiques la compréhension des couplages. Une perspectives thermodynamique pourraient faciliter la comparaison et la compréhension des multiples processus physiques, chimiques et biologiques qui affectent les systèmes hydrogéologiques.

     

Using Hydrogeochemical Methods To Evaluate Complex Quaternary Subsurface Stratigraphy Block Island,Rhode Island,USA

One of the major problems in hydrogeologic investigations of glaciated regions is the determination of complex stratigraphic relationships in the subsurface where insufficient information is available from drilling and geophysical records. In this paper, chemical characteristics of groundwater were used to identify stratigraphic changes in glacial deposits that were previously inferred on Block Island, Rhode Island, USA, an emergent remnant of the late Wisconsinan terminal moraine, located approximately 16 km south of the Rhode Island mainland. Two chemically distinct water types are recognized on the island: 1) high-iron, characterized by dissolved silica levels in excess of 20 mg/L, bicarbonate greater than 30 mg/L and dissolved iron ranging from 1-20 mg/L; and 2) low-iron, characterized by dissolved silica levels below 16 mg/L, bicarbonate less than 30 mg/L, and less than 0.3 mg/L dissolved iron. The spatial distribution of iron-bearing minerals and organic matter and the resulting redox conditions are believed to control the occurrence of high-iron groundwater. The high-iron waters occur almost exclusively in the eastern half of the island and appear to coincidence with the presence of allochthonous blocks of Cretaceous-age coastal-plain sediments that were incorporated into Pleistocene-age deposits derived from the Narragansett Bay-Buzzard's Bay lobe of the Late Wisconsinan Laurentide ice sheet. The low-iron waters occur in the western half of the island, where the occurrence of these Cretaceous-age blocks is rare and the sediments are attributed to a sublobe of the Hudson-Champlain lobe of the Late Wisconsinan ice-sheet. RÉSUMÉ: L'un des principaux problèmes dans les études hydrogeologiques des régions qui ont été englacées est la définition des relations stratigraphiques complexes sous la surface, lá où les informations fournies par les forages et par la géophysique sont insuffisantes. Dans l'exemple traité, les caractéristiques chimiques de l'eau souterraine sont utilisées pour identifier les variations stratigraphiques dans les dépôts glaciaires qui avaient auparavant été supposées, sur l'île de Block (Rhode Island), restes émergeant d'une moraine terminale du Wisconsinien récent, situé à environ 16 km au sud de Rhode Island. Deux types d'eau chimiquement distincts ont été reconnus dans l'île: 1) à fortes teneurs en fer, caractérisées par des concentrations en silice supérieures à 20 mg/L, en bicarbonates supérieures à 30 mg/L et en fer comprises entre 1 et 20 mg/L; et 2) à faibles teneurs en fer, marquées par des concentrations en silice inférieures à 16 mg/L, en bicarbonate inférieures à 30 mg/L et en fer dissous inférieures à 0.3 mg/L. La distribution spatiale des minéraux riches en fer et de la matière organique et les conditions redox résultantes contrôlent probablement la présence de fer dans les eaux souterraines à fortes concentrations. Les eaux à fortes teneurs en fer sont connues presque exclusivement dans la moitié orientale de l'île et semblent coïncider avec la présence de blocs allochtones provenant des sédiments côtiers crétacés, introduits dans les formations pléistocènes liées au lobe glaciaire des baies de Narragansett et du Busard de la calotte glaciaire laurentide du Wisconsinien récent. Les eaux à faibles teneurs en fer apparaissent dans la moitié occidentale de l'île, là où ces blocs de Crétacé sont rares et où les sédiments sont attrbués à une digitation du lobe de l'Hudson-Champlain de la calotte glaciaire du Wisconsinien récent. RESUMEN: Uno de los mayores problemas en la investigación hidrogeológica en regiones glaciares es la determinación de las complejas relaciones estratigráficas en el subsuelo, donde la información procedente de registros de perforaciones y de geofísica no es suficiente. En este artículo, se han usado las características químicas del agua subterránea para identificar unos cambios estratigráficos que se habían predicho previamente en unos depósitos glaciares en Block Island, Rhode Island (Estados Unidos), un remanente emergente de la morrena terminal del Winsconsiniense tardío, situada unos 16 km al sur de la Rhode Island continental. En la isla se encuentran dos tipos de agua distintos: 1) de alto contenido en hierro, caracterizada por niveles de sílice disuelto superando los 20 mg/L, bicarbonatos por encima de 30 mg/L y hierro disuelto oscilando entre 1-20 mg/L; y 2) de bajo contenido en hierro, caracterizada por niveles de sílice disuelto inferiores a 16 mg/L, bicarbonatos por debajo de 30 mg/L y menos de 0.3 mg/L de hierro disuelto. La distribución espacial de los minerales ricos en hierro y de la materia orgánica, así como las condiciones redox resultantes se supone que condicionan la presencia de aguas de alto contenido en hierro. Estas aguas aparecen casi exclusivamente en la mitad oriental de la isla y parecen coincidir con la presencia de bloques alóctonos de sedimentos costeros, de edad cretácica, que se incorporaron a los depósitos de edad pleistocena procedentes del lóbulo de la Bahía de Narragansett-Bahía de Buzzard, correspondiente a la capa glaciar del Winsconsiniense-Lauréntido tardío. Las aguas de bajo contenido en hierro aparecen en la mitad occidental de la isla, donde la presencia de estos sedimentos de edad cretácica es rara y los sedimentos se suponen procedentes de un sublóbulo del lóbulo de Hudson-Camplain, correspondiente a la capa glaciar del Winsconsiniense tardío.     

Simulation Of Salt-Water Encroachment In A Multi-Layer Groundwater System,Bangkok, Thailand

Salt-water encroachment in the multi-layer groundwater system underlying the Bangkok metropolitan area was simulated with a quasi-three-dimensional flow and solute-transport model. The quasi-three-dimensional model used in this study is based on the model SUTRA. Accurate conceptualization of the initial state of the system with regard to the distribution of salt-water concentration is very important for modeling, especially in areas where localized zones of high salt concentration exist in the groundwater. Data adequacy and model results were evaluated by a geostatistical analysis. The model is capable of simulating the regional trend of potentiometric levels and salt concentration. However, lack of monitoring data in areas where localized zones of high salt concentration exist resulted in large model residuals. RÉSUMÉ: L'empiétement des eaux salées dans le système hydrologique multi-couche sous-jacent la zone métropolitaine de Bangkok a été simulé à l'aide d'un modèle quasi-tridimensionnel représentant l'écoulement des eaux et le transport d'éléments en solution. Le modèle quasi-tridimensionnel utilisé dans cette étude est basé sur le modèle SUTRA. Une conceptualisation exacte de l'état initial du système en ce qui concerne la répartition de la concentration des eaux salines est très important, particulièrement dans les endroits localisés où l'eau souterraine presente une forte concentration en sel. La qualité des donnés et des résultats a été estimée à l'aide d'une analyse géostatistique. Le modèle est capable de simuler la tendance régionale des niveaux potentiométriques et de la concentration en sel. Cependant, le manque de données de contrôle dans les endroits à forte concentration a donné lieu à des résiduels importants. RESUMEN: La intrusión de agua salina en el sistema multicapa bajo el área metropolitana de Bangkok se simuló mediante un modelo de flujo y transporte de solutos casi-tridimensional, basado en el modelo SUTRA. La conceptualizacián precisa de la distribución inicial de concentraciones de agua salina es muy importante para el modelo, especialmente en áreas donde existen zonas locales de alta concentración salina en el agua subterránea. La exactitud de los datos y del modelo se evaluaron mediante un análisis geoestadístico. El modelo permite simular la tendencia regional de los niveles piezométricos y la concentración de sales. Sin embargo, la falta de datos de muestreo en las zonas locales de alta salinidad resultaron en valores altos de los residuos calculados por el modelo.     

Groundwater resources assessment of the Koyna River basin,India

The Western Ghats (hills) region of the Indian peninsula in western India receives heavy precipitation (4,000–6,000 mm/year), but the headwater basins that coalesce runoff from these hills retain very small quantities of water due to the steep topography. However, the narrow valleys in these hills support agriculture based on surface water irrigation, and several medium to large irrigation projects have already been constructed with well-defined canal networks. These developments have boosted agricultural productivity in the region, but at the same time they are causing an economic disparity between the command areas (irrigated by these canals) and non-command areas. Water-logging problems are also occurring in low-lying areas. While these problems are mainly due to poor groundwater management strategies in the region, the groundwater resources in these headwater basins should be properly assessed and suitable measures taken for uniform groundwater development. As a first step in this direction, groundwater resources have been assessed as a case study for the lower Koyna River basin, a head water basin on the east of the main ridge of the Western Ghats.Regional specific yield (0.012) and groundwater recharge have been estimated on the basis of water table fluctuation method. Groundwater recharge amounting to 57 MCM (million m³) in a year takes place in the region through vertical percolation of rainwater (31 MCM), return flow of water applied for irrigation (23 MCM), and recharge due to surface water tanks (3 MCM). Recharge to deeper aquifers has been estimated at 1 MCM during dry seasons (November–May). Safe yield has been estimated at 58 MCM annually which includes the present groundwater draft by wells for domestic, stock, and irrigational needs estimated at 16.50 MCM per year and the natural losses from the groundwater system which are mostly baseflow and spring discharges amounting to 38 MCM (35 MCM baseflow + 3 MCM spring flow) per year, out of which 7 MCM is already being directly pumped from the tributaries of the Koyna River for irrigational needs. Thus, there remains a balance of only 3.5 MCM of groundwater for further groundwater development. Assuming that at least 25% (7 MCM) of the unutilized baseflow (28 MCM) can be brought to fruitful use, about 10.5 MCM (7+3.5 MCM) of groundwater can be used in the existing hydrogeological environment through about 500 additional wells.

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Resumen La región de las montañas de Western Ghats, al Oeste de la Península India, registra elevados valores de precipitación (de 4.000 a 6.000 mm/a), pero las condiciones topográficas de dichas montañas no permiten la existencia de acuíferos de entidad suficiente para albergar volúmenes grandes de aguas subterráneas. Los valles estrechos de las montañas sí permiten el desarrollo de las aguas superficiales, de manea que se ha realizado varios proyectos medianos y grandes de riego mediante redes de canales bien definidas. Estos desarrollos han propiciado un aumento de la producción agrícola en la región, pero, a la vez, se ha agudizado las diferencias económicas entre las zonas regadas y las no regadas. Además, las depresiones topográficas están padeciendo problemas de inundación. Como estos problemas son principalmente debidos a estrategias deficientes de gestión de las aguas subterráneas, se recomienda que los recursos subterráneas de las cuencas de cabecera sean adecuadamente determinados, y que se adopte medidas apropiadas para desarrollarlos uniformemente. El primer paso ha consistido en determinar los recursos subterráneos de la cabecera del río Koynam, situada al Este de la Sierra principal de los Western Ghats. Se ha estimado todos los parámetros de recarga y descarga, así como los recursos renovables, en la cuenca del río Koyna ubicada aguas debajo de la presa de Koyna.

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Résumé La région des Collines occidentales (Western Ghats) de la péninsule indienne en Inde occidentale reçoit de fortes précipitations (4.000–6.000 mm/an); mais les bassins situés en tête qui convergent dans ces collines retiennent très peu d'eaux souterraines du fait des mauvaises conditions de pente en surface. Les vallées étroites dans ces collines offrent de larges espaces pour la mise en valeur des eaux de surface, en sorte que plusieurs projets d'irrigation moyens ou importants ont déjà été réalisés dans ces régions avec un réseau bien défini de canaux. Cette mise en valeur a réellement poussé la productivité agricole de la région, mais en même temps elle produit aussi une disparité économique entre les régions desservies (zones irriguées par ces canaux) et non desservies. Des problèmes relatifs à l'eau se posent également dans les zones basses. Alors que ces problèmes sont surtout dus à de médiocres stratégies de gestion dans la région, il est recommandé que les ressources en eaux souterraines dans ces bassins en tête soient correctement évaluées et que des mesures adéquates soient prises en vue d'une mise en valeur uniforme des eaux souterraines. À titre de première étape dans cette direction, les ressources en eaux souterraines ont été évaluées lors d'une étude de cas du bassin de la rivière Koyna, un bassin de tête situé à l'est de la chaîne principale des Collines Occidentales. Tous les paramètres d'entrée et de sortie ont été estimés et un bilan a été réalisé entre ces deux composantes. Les ressources statiques et dynamiques en eaux souterraines ont été estimées et un rendement sûr a été déterminé pour le bassin de la rivière Koyna en aval du barrage de Koyna.

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Groundwater and climate change: a sensitivity analysis for the Grand Forks aquifer,southern British Columbia,Canada

The Grand Forks aquifer, located in south-central British Columbia, Canada was used as a case study area for modeling the sensitivity of an aquifer to changes in recharge and river stage consistent with projected climate-change scenarios for the region. Results suggest that variations in recharge to the aquifer under the different climate-change scenarios, modeled under steady-state conditions, have a much smaller impact on the groundwater system than changes in river-stage elevation of the Kettle and Granby Rivers, which flow through the valley. All simulations showed relatively small changes in the overall configuration of the water table and general direction of groundwater flow. High-recharge and low-recharge simulations resulted in approximately a +0.05 m increase and a –0.025 m decrease, respectively, in water-table elevations throughout the aquifer. Simulated changes in river-stage elevation, to reflect higher-than-peak-flow levels (by 20 and 50%), resulted in average changes in the water-table elevation of 2.72 and 3.45 m, respectively. Simulated changes in river-stage elevation, to reflect lower-than-baseflow levels (by 20 and 50%), resulted in average changes in the water-table elevation of –0.48 and –2.10 m, respectively. Current observed water-table elevations in the valley are consistent with an average river-stage elevation (between current baseflow and peak-flow stages).

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Resumen El acuífero de los Grand Forks, situado al sur de la Columbia Británica central (Canadá) ha sido utilizado como lugar de estudio para modelar la sensibilidad de un acuífero a los cambios en la recarga y el caudal de los ríos de acuerdo con escenarios previstos de cambio climático en la región. Los resultados sugieren que las variaciones en la recarga al acuífero bajo los diversos escenarios, que han sido modelados en régimen estacionario, tienen un impacto mucho menor en las aguas subterráneas que los cambios en el caudal de los ríos Kettle y Granby, que discurren por el valle. Todas las simulaciones muestran diferencias relativamente pequeñas en la configuración regional de los niveles freáticos y en la dirección general del flujo subterráneo. Las simulaciones de recarga elevada y baja causan un incremento de 0,05 m y un decremento de 0,025 m, respectivamente, en los niveles del acuífero. Los cambios de la elevación del río, simulados para reflejar niveles de flujo mayores que los valores pico (en un 20% y un 50%) resultan en cambios medios de los niveles del acuífero de 2,72 m y 3,45 m, respectivamente. Los cambios simulados en la elevación del río para flujos inferiores al caudal de base (en un 20% y en un 50%) provocan descensos en los niveles de 0,48 y 2,10 m, respectivamente. Los niveles actuales del acuífero en el valle son coherentes con una elevación media del nivel en el río (entre el caudal de base actual y los picos de caudal).

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Résumé L'aquifère de Grand Forks, situé en Colombie britannique (Canada), a été utilisé comme zone d'étude pour modéliser la sensibilité d'un aquifère à des modifications de la recharge et du niveau de la rivière, correspondant à des scénarios envisagés de changement climatique dans cette région. Les résultats font apparaître que les variations de recharge de l'aquifère pour différents scénarios de changement climatique, modélisées pour des conditions de régime permanent, ont un impact sur le système aquifère beaucoup plus faible que les changements du niveau des rivières Kettle et Granby, qui coulent dans la vallée. Toutes les simulations ont montré des différences relativement faibles dans la configuration d'ensemble de la nappe et dans la direction générale des écoulements. Des simulations de conditions de recharge forte et de recharge faible produisent respectivement une remontée de 0,05 m et un abaissement de 0,025 m, approximativement, des cotes de la nappe pour l'ensemble de l'aquifère. Des changements simulés de la cote du niveau de la rivière, pour refléter des niveaux plus hauts que ceux des pics de crues (de 20 et de 50%), produisent respectivement des remontées de la nappe de 2,72 et 3,45 m en moyenne. Des changements simulés de l'altitude du niveau de la rivière, pour refléter des niveaux plus bas que ceux de basses eaux (de 20 et de 50%), produisent respectivement des abaissements de la nappe de 0,48 et 2,10 m en moyenne. Les altitudes courantes observées de la nappe dans la vallée sont cohérentes avec une cote moyenne du niveau de la rivière (entre les niveaux courants de basses eaux et de crues).

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Hydrochemical tracers in the middle Rio Grande Basin,USA: 2. Calibration of a groundwater-flow model

The calibration of a groundwater model with the aid of hydrochemical data has demonstrated that low recharge rates in the Middle Rio Grande Basin may be responsible for a groundwater trough in the center of the basin and for a substantial amount of Rio Grande water in the regional flow system. Earlier models of the basin had difficulty reproducing these features without any hydrochemical data to constrain the rates and distribution of recharge. The objective of this study was to use the large quantity of available hydrochemical data to help calibrate the model parameters, including the recharge rates. The model was constructed using the US Geological Surveys software MODFLOW, MODPATH, and UCODE, and calibrated using ¹⁴C activities and the positions of certain flow zones defined by the hydrochemical data. Parameter estimation was performed using a combination of nonlinear regression techniques and a manual search for the minimum difference between field and simulated observations. The calibrated recharge values were substantially smaller than those used in previous models. Results from a 30,000-year transient simulation suggest that recharge was at a maximum about 20,000 years ago and at a minimum about 10,000 years ago.

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Resumen La calibración de un modelo de aguas subterráneas con el apoyo de datos hidroquímicos ha demostrado que la recarga relativamente baja en la cuenca media del Río Grande es probablemente responsable de una depresión de aguas subterráneas en el centro de la cuenca y de la presencia de una cantidad considerable de agua del Río Grande en el acuífero del Grupo Santa Fe. Los modelos propuestos con anterioridad para la cuenca tenían dificultades para reproducir estas características ya que no tenían datos hidroquímicos que permitieran delimitar los ritmos y distribución de recarga. El objetivo del presente estudio consistió en utilizar una gran cantidad de datos hidroquímicos disponibles para ayudar a calibrar los parámetros del modelo, incluyendo los ritmos de recarga. El modelo se construyó utilizando los modelos MODFLOW, MODPATH, y UCODE del USGS, mientras que la calibración se realizó en base a concentraciones de ¹⁴C y a la posición de ciertas zonas definidas con los datos hidroquímicos. La estimación de parámetros se realizó en base a una combinación de técnicas de regresiones no lineares y a una búsqueda a viva fuerza del error mínimo entre los datos observados y los simulados. Los valores de recarga calibrados fueron significativamente más bajos que los estimados en los modelos anteriores. Los resultados de una simulación transitoria de 30,000 años sugieren que la recarga durante la última glacial máxima (LGM) fue diez veces el ritmo moderno, pero que la recarga que ocurrió inmediatamente después de la LGM fue más baja que el ritmo moderno.

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Résumé Le calibrage dun modèle hydrogéologique avec laide de données hydrochimiques a démontré que la recharge relativement faible dans le Grand Bassin du Middle Rio est vraisemblablement responsable dune dépression des eaux souterraines dans le centre du bassin et de la présence dune quantité substantielle deau du Rio Grande dans laquifère du Groupe de Santa Fe. Les modèles antérieurs avaient des difficultés à reproduire ses conclusions sans laide de données hydrochimiques pour contraindre les taux et la distribution de la recharge. Lobjectif de cette étude était dutiliser une grande quantité de données hydrochimiques permettant de calibrer les paramètres du modèle, et notamment les taux de recharge. Le modèle a été construit avec les logiciels MODFLOW, MODPATH et UCODE, et calibré en utilisant les concentrations en ¹⁴C et la position de certaines zones définies par les données hydrochimiques. Lestimation de certains paramètres a été réalisée en utilisant une combinaison de techniques de régression non linéaire et une méthode de recherche exhaustive (Brute Force Search) de lerreur minimum entre les résultats des observations et les simulations. Les valeurs de la recharge calibrée sont substantiellement plus basses que celles estimées dans les modèles antérieurs. Les résultats dune simulation en régime transitoire sur 30.000 ans suggèrent que la recharge au maximum de la dernière glaciation (last glacial maximum, LGM) était 10 fois supérieure au taux actuel, mais que la recharge qui a suivit la LGM était plus bas que la recharge actuelle.

     

Effect of advective mass transfer on field scale fluid and solute movement: Field and modeling studies at a waste disposal site in fractured rock at Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, USA

Advective mass transfer is a pore scale mass-transfer process that affects fluid and solute movement between pore domains such as fracture and matrix in a structured porous medium. Mechanistically similar to advection in the advection-dispersion of solutes in non-structured porous medium, it redistributes solutes by moving solute and solvent simultaneously between pore domains. While there is much research on diffusive mass transfer that is often referred to as matrix diffusion, there is a lack of information and study for advective mass transfer in the literature. The objective of this research is to study the effects of advective mass transfer on fluid and solute movement between pore domains. First, field hydraulic measurements at a waste disposal site in fractured rock at Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Tennessee, USA, are used to calibrate a fracture-matrix, two-pore-domain groundwater flow model. Latin-hypercube sensitivity analysis suggests that the uncertainty of the calibrated model parameters is small and the calibrated flow model is nearly the optimal. Fracture spacing thus obtained is used to calculate diffusive mass transfer coefficients. The individual effects of advective and diffusive mass transfer on solute movement are then quantitatively evaluated. The calculations indicate that pore structure conceptual models may significantly affect the role of advective mass transfer in field and pore-scale mass transfer. In the particular ORNL field site and with a fracture-matrix pore structure model, contribution of advective mass transfer to solute mass movement is about three to eight orders of magnitude smaller than that of diffusive mass transfer.

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Resumen La transferencia de masa advectiva es un proceso de transferencia de masa en escala intersticial que afecta el movimiento de fluido y soluto entre ámbitos porosos tal como fractura y matriz en un medio estructurado poroso. Este proceso, mecánicamente similar a la advección en la dispersión-advección de solutos de medios porosos no estructurados, redistribuye los solutos mediante el movimiento simultáneo de soluto y solvente entre ámbitos porosos. Mientras que existe bastante investigación en transferencia difusiva de masa que frecuentemente se conoce como difusión en matriz, existe falta de información y estudio de transferencia advectiva de masa en la literatura. El objetivo de esta investigación es estudiar los efectos de la transferencia advectiva de masa en el movimiento de fluido y soluto entre ámbitos porosos. Primero se utilizaron mediciones hidráulicas de campo en un sitio de depósito de residuos en roca fracturada en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL), Tennessee, USA, para calibrar un modelo de flujo de agua subterránea de ámbito de dos poros fractura-matriz. Análisis de sensitividad hipercúbico-latino sugieren que la incertidumbre de los parámetros del modelo calibrado es pequeña y que el modelo de flujo calibrado es aproximadamente el óptimo. El espaciamiento de fracturas así obtenido se utiliza para calcular los coeficientes de transferencia de masa difusiva. Luego se evalúa cuantitativamente los efectos individuales de transferencia de masa advectiva y difusiva en el movimiento de soluto. Los cálculos indican que los modelos conceptuales de estructura porosa pueden afectar significativamente el papel de transferencia de masa advectiva en escalas de campo e intersticial de transferencia de masa. En el sitio de campo específico ORNL y con un modelo de estructura porosa de matriz-fractura, la contribución de transferencia de masa advectiva al movimiento de masa soluto es aproximadamente tres a ocho órdenes de magnitud más pequeño que la contribución por transferencia de masa difusiva.

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Résumé Résumé Le transfert advectif de masse est un processus de transfert de masse à léchelle du pore qui affecte les mouvements du fluide et du soluté entre les différents domaines de pores, tel les fractures et la matrice dans un milieu poreux structuré. Mécaniquement similaire à ladvection dans le concept advection-dispersion de solutés dans les milieux non structurés, ce transfert redistribue les solutés simultanément avec le fluide entre les différents domaines poreux. Alors que de nombreuses recherches portent sur les transferts de masse par diffusion, se référant généralement à une diffusion par la matrice, il y a un grand manquement dinformations et détudes sur les transferts de masse par advection dans la littérature. Lobjectif de cette recherche est détudier leffet du transfert advectif de masse de fluide et de soluté entre les différents domaines poreux. Premièrement, les mesures hydrauliques de terrain sur la décharge en milieu fracturé du laboratoire national dOak Ridge ORNL, Tennessee, USA, sont utilisées pour calibrer un modèle hydrogéologique à double porosité fracture-matrice. Lanalyse de sensibilité latin-hypercube suggère que lincertitude sur les paramètres du modèle est faible et que le calibrage est pratiquement optimal. Lespace de fracture résultant permet de calculer les coefficients de transfert de masse par diffusion. Les effets individuels de ladvection et de la diffusion sur les mouvements de solutés sont dés lors évalués. Les calculs indiquent que le modèle conceptuel de la structure des pores peuvent significativement affectés le rôle du transfert advectif de masse à léchelle du pore et du terrain. Dans le cas du site de lORNL et avec un modèle structuré fracture-matrice, la contribution de ladvection au transfert de masse est de lordre de trois-huitième du transfert de masse par diffusion.

     

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.

     

Origin of high fluoride in groundwater in the North Gujarat-Cambay region, India

This paper reports on the origin of high fluoride in a regional alluvial aquifer system under water stress in the North Gujarat-Cambay (NGC) region in western India. This region is severely affected by endemic fluorosis due to ingestion of groundwater containing excessive fluoride. With an objective to understand factors controlling high fluoride concentration in groundwater of this region, 225 groundwater samples have been analysed for various chemical parameters. Samples were collected from different depth zones tapping shallow dug wells, geothermal springs, hand-pumps and tubewells, including free flowing artesian wells up to 450 m depth from the aquifers in the Quaternary alluvial formation covering most of the study area. No relation was found between fluoride concentration and depth of sampled groundwater. However, certain sub-aquifer zones have been identified within the Cambay Basin where groundwater contains relatively high fluoride concentration. In general, areas of high fluoride overlap areas with high electrical conductivity (EC). On the west flank of the Cambay Basin in the low lying belt linking Little Rann of Kachchh-Nalsarovar-Gulf of Khambhat (LRK-NS-GK), high fluoride and EC in shallow aquifers originate from evaporative enrichment. On the east flank of Cambay Basin, some high fluoride pockets are observed which are probably due to preferential dissolution of high fluoride bearing minerals. On this flank high fluoride is also associated with thermal springs. Within the Cambay Basin, alternating belts of low and high fluoride concentrations are ascribed to groundwater recharge during the past wet and arid climatic phases, respectively. This is based on groundwater radiocarbon age contours of ~20 ka overlapping the high fluoride belt.

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Resumen Este artículo reporta sobre el origen de altas concentraciones de flúor en un sistema regional de acuíferos bajo presión hídrica en la región del norte de Gujarat-Cambay (NGC) del occidente de India. Esta región está afectada severamente por fluorosis endémica debido a la ingestión de agua subterránea que contiene exceso de flúor. Se tomaron 225 muestras de agua subterránea las cuales fueron analizadas por varios parámetros químicos con el objetivo de entender los factores que controlan las elevadas concentraciones de flúor en esta región. Las muestras se colectaron a diferentes profundidades en pozos someros, manantiales geotermales, pozos con bombas de mano, y pozos entubados incluyendo pozos artesianos de flujo libre de hasta 450 m de profundidad emplazados en los acuíferos de la formación aluvial Cuaternaria que cubre la mayor parte del área de estudio. No se encontró ninguna relación entre la concentración de flúor y la profundidad de las muestras de agua subterránea. Sin embargo, se identificaron dentro de la cuenca Cambay algunas zonas sub-acuíferas donde el agua subterránea contiene concentraciones relativamente altas de flúor. En general, las áreas con elevada concentración de flúor están sobrepuestas a áreas de alta conductividad eléctrica (CE). Sobre el flanco occidental de la cuenca Cambay, en la faja baja que une Little Rann con Kachchh-Nalsarovar-Golfo de Khamhat (LRK-NS-GK), las altas concentraciones de flúor y altas CE en acuíferos someros se derivan de enriquecimiento por evaporitas. Sobre el flanco oriental de la cuenca Cambay se observaron algunos cuerpos con alta concentración de flúor los cuales se deben probablemente a la disolución preferencial de minerales con alto contenido de flúor. En este flanco el alto contenido de flúor también se asocia con manantiales termales. Dentro de la cuenca Cambay existen fajas alternantes, con concentraciones altas y bajas de flúor, las cuales se atribuyen a recarga de agua subterránea durante las fases climáticas pasadas, húmedas y áridas, respectivamente. Este planteamiento se basa en contornos de edades de ~20 ka de radiocarbono que están sobrepuestos a la faja alta en flúor.

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Résumé Cet article étudie lorigine des teneurs élevées en Fluorure dans un système aquifère alluvial régional, soumis à un stress hydrique dans le Nord Gujarat–région Cambay (NGC) à lOuest de lInde. Cette région est sévèrement affectée par une fluorose endémique, due à lingestion deau souterraine très riche en fluor. Avec pour objectif de comprendre les paramètres contrôlant les fortes teneurs en fluor, 225 échantillons deau souterraine ont été analysés sur différents paramètres. Les échantillons ont été pris à différentes profondeurs : puits de surface, sources géothermiques, pompes à main, forages artésiens jaillissant dont la profondeur avoisine les 450 m dans les formations alluviales quaternaire recouvrant la plus grande partie de la région étudiée. Il ny a pas de relation entre la profondeur et les teneurs en fluorure. Néanmoins, certaines zones sub-aquifères ont été identifiées dans le Basin de Cambay où leau souterraine présentait des concentrations relativement élevées en fluorure. En général les zones de hautes concentrations en fluorure recouvrent les zones à fortes conductivité électrique (abréviation en anglais: EC). Sur le flanc Ouest du bassin de Cambay dans le mince lit reliant Little Ran de Kachchh-Nalsarovar au golfe de Khambhat (LRK-NS-GK), les fortes teneurs en fluorure et les EC dans la nappe phréatique proviennent de lenrichissement par les évaporites. Sur le flanc Est du bassin, des poches de teneurs élevées en fluorures ont été observées, probablement dues à des dissolutions préférentielles de minéraux fluorés. Sur ce flanc des teneurs sont également associées à la présence de sources géothermales. Dans le bassin de Cambay, les alternances de couches lits à fortes teneurs et de lits à faibles teneurs sont expliquées par la recharge durant les périodes climatiques humides et les périodes climatiques plus sèches. Ceci est corroboré par les datations au radiocarbone (environ 20.000 an) au dessus du lit riche en fluorure.