Application of a resistivity survey and geographical information system (GIS) analysis for hydrogeological zoning of a piedmont area, Himalayan foothill region, India

A Geographical Information System (GIS) has been used for the integration of the results of 70 vertical electrical soundings and hydrogeological data in the piedmont zone of the Himalayan foothills region of Uttaranchal, India. Indian remote sensing (IRS) LISS-III data has been used to prepare thematic maps for the geomorphology and slope maps of the area. The ranges of electrical resistivity values have been assigned to the different formations by calibrating electrical resistivity values with the borehole data. Electrical resistivity, groundwater level monitoring, and borehole and remote sensing data have been integrated in the GIS analysis to delineate the hydrogeological zoning in the study area. Suitable weights were assigned to the different features affecting the groundwater potential. The total score for a particular location is translated in terms of groundwater potential of the area. The results indicate that the southern part of the study area has a very good groundwater potential for meeting the demand of water for irrigation and domestic purposes whereas the steeply sloping area in the northern part, having high relief, has a poor groundwater potential. The resulting delineation of groundwater potential zones are in general agreement with the available yield data of the tube wells.

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Resumen Se ha utilizado un Sistema de Información Geográfica (SIG) para la integración de los resultados de 70 sondeos eléctricos verticales y datos hidrogeológicos en la zona piamonte de la región al pie de los Himalaya de Uttaranchal, India. Se han utilizados datos de sensores remotos Indios (IRS) LISS-III para elaborar mapas temáticos de la geomorfología y mapas de pendientes del área. Se han asignado los rangos de valores de resistividad eléctrica a diferentes formaciones mediante la calibración de valores de resistividad eléctrica con datos de barrenos. Se han integrado datos de resistividad eléctrica, monitoreo de niveles de agua subterránea, y barrenos, y datos de sensores remotos mediante un análisis SIG para delimitar la zonificación hidrogeológica del área de estudio. Se asignaron pesos apropiados a las diferentes características que afectan el potencial del agua subterránea. El puntaje total de un lugar particular se ha transformado en términos de potencial de agua subterránea del área. Los resultados indican que la parte sur del área de estudio tiene muy buen potencial de agua subterránea para satisfacer la demanda de agua por riego y uso doméstico mientras que el área de pendientes pronunciadas en la parte norte, de alto relieve, tiene potencial pobre de agua subterránea. La delimitación de zonas potenciales de agua subterránea encaja muy bien con los datos disponibles de rendimiento de pozos entubados.

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Résumé Un système d’information géographique (SIG) a été utilisé pour l’intégration de résultats en provenance de 70 sondages électriques et données hydrogéologiques dans la zone de piedmont, au pied de l’Himalaya dans la région de Uttaranchal en Inde. Des données du satellite IRS LISS-III ont été utilisées pour préparer des cartes thématiques sur la géomorphologie et les pentes de la zone d’étude. Les valeurs de résistivités électriques ont été assignées aux différentes formations en les calibrant sur les données de sondages. La résistivité électrique, la piézométrie, et les données de sondages et de télédétection ont été intégrées dans une analyse par SIG pour délimiter les zones hydrogéologiques de l’aire d’étude. Des poids ont été assignés aux différents éléments affectant le potentiel en eau souterraine. Le résultat final pour une localisation particulière est traduit en terme de potentiel en eau souterraine. Les résultats indiquent que la partie Sud a un potentiel très bon pour la demande en eau domestique et eau d’irrigation, tandis que les zones plus pentues dans la partie Nord, caractérisée par un relief élevé, présente un potentiel assez pauvre. La délinéation globale des zones à différents potentiels s’accorde assez bien avec les données disponibles concernant la capacité des puits.

     

Validation of vulnerability mapping methods by field investigations and numerical modelling

Vulnerability maps illustrate the potential threat of contaminants to groundwater and can be considered as important tools for land-use planning and related legislation. For karst areas with characteristic preferential infiltration conditions, vulnerability maps are also excellent tools for source and resource protection. However, the resulting qualitative maps are often inconsistent and even contradictive and thus might lead to inconclusive vulnerability assessments. The results of a validation of vulnerability maps produced using four different methods, DRASTIC, GLA, PI and EPIK, are reported for a karst area in southwest Germany. By means of measured hydraulic and transport parameters of the geological sequence, numerical simulations were used based on a conceptual model for the area under study. The mean transit time through the unsaturated zone (resource protection) was used as the validation parameter. The study demonstrates that the highest level of accuracy is achieved with the GLA- and PI methods. Both DRASTIC and EPIK are not able to incorporate highly variable distributions and thickness of cover sediments and their protective properties in the respective mapping procedure. Thus, vulnerability maps produced with DRASTIC, EPIK, and related methods should be used with care when employed in vulnerability assessments for land use planning and related decision-making.

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Résumé  Les cartes de vulnérabilité illustrent la menace potentielle des contaminants envers les eaux souterraines, et peuvent être considérées comme des outils importants en matière d'aménagement foncier et de réglementation associée. Sur les domaines karstiques, caractérisés par des conditions d'infiltration préférentielle, ces cartes sont également d'excellents outils de protection des sources et des ressources. Cependant, les cartes qualitatives résultantes sont généralement incohérentes voire contradictoires, et peuvent par là-même mener à des évaluations de vulnérabilité peu concluantes. La présente étude expose les résultats de validation de cartes de vulnérabilité produites selon quatre méthodes différentes (DRASTIC, GLA, PI et EPIK), dans le cas d'un domaine karstique du sud-est de l'Allemagne. Par le biais des paramètres de transport et hydrauliques mesurés sur la séquence géologique, des simulations numériques basées sur un modèle conceptuel du secteur d'étude ont été utilisées. Les temps de transit moyens à travers la zone non saturée (protection de la ressource) ont été utilisés comme paramètres de validation. L'étude démontre que le niveau maximum de précision est obtenu par les méthodes GLA et PI. Dans la phase de cartographie, les méthodes EPIK et DRASTIC sont incapables d'intégrer une forte variabilité dans les distributions et les épaisseurs de sédiments de couverture, ainsi que dans leurs potentiels de protection. Aussi, les cartes de vulnérabilité produites par les méthodes DRASTIC et EPIK doivent être utilisées avec précaution dans le cadre des évaluations de vulnérabilité à but décisionnaire pour les aménagements fonciers.

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Resumen  Los mapas de vulnerabilidad ilustran la amenaza potencial de contaminantes para el agua subterránea y pueden ser considerados herramientas importantes para planeamiento del uso de la tierra y legislación relacionada. Para áreas cársticas con sus características condiciones de infiltración preferencial, los mapas de vulnerabilidad son también excelentes herramientas para protección de fuentes y recursos. Sin embargo, los mapas cualitativos resultantes son frecuentemente inconsistentes y hasta contradictorios y por lo tanto podrían conducir a evaluaciones de vulnerabilidad no concluyentes. Los resultados de una validación de mapas de vulnerabilidad producidos usando cuatro métodos diferentes, DRASTIC, GLA, PI y EPIK, son presentados aquí para un área cárstica en Alemania suroccidental. Se usaron simulaciones numéricas usando parámetros hidráulicos y de transporte medidos de la secuencia geológica y basándose en un modelo conceptual del área en estudio. El tiempo promedio de tránsito a través de la zona no saturada (protección del recurso) fue utilizado como el parámetro de validación. El estudio demuestra que el máximo nivel de precisión es alcanzado con los métodos GLA y PI. DRASTIC y EPIK no fueron capaces de incorporar distribuciones altamente variables ni espesor de sedimentos de cubierta y sus propiedades protectivas en el respectivo procedimiento de elaboración de mapas. Por lo tanto los mapas de vulnerabilidad producidos con DRASTIC, EPIK y métodos relacionados deberían ser usados con cuidado cuando se usen en evaluaciones de vulnerabilidad para planeamiento del uso de tierra y toma de decisiones relacionadas.

     

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

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

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

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

     

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

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

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

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

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

     

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

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

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

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

     

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

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

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

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

     

Climate-induced hydrological impacts on the groundwater system of the Pingtung Plain,Taiwan

The Pingtung Plain is one of the most important groundwater-resource areas in southwestern Taiwan. The overexploitation of groundwater in the last two decades has led to serious deterioration in the quantity and quality of groundwater resources in this area. Furthermore, the manifestation of climate change tends to induce the instability of surface-water resources and strengthen the importance of the groundwater resources. Southwestern Taiwan in particular shows decreasing tendencies in both the annual amount of precipitation and annual precipitation days. To effectively manage the groundwater resources of the Pingtung Plain, a numerical modeling approach is adopted to investigate the response of the groundwater system to climate variability. A hydrogeological model is constructed based on the information from geology, hydrogeology, and geochemistry. Applying the linear regression model of precipitation to the next two decades, the modeling result shows that the lowering water level in the proximal fan raises an alarm regarding the decrease of available groundwater in the stress of climate change, and the enlargement of the low-groundwater-level area on the coast signals the deterioration of water quantity and quality in the future. Suitable strategies for water-resource management in response to hydrological impacts of future climatic change are imperative.

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Resumen La llanura Pingtung constituye uno de los recursos de aguas subterráneas más importantes en el Suroeste de Taiwan. La sobreexplotación de las aguas subterráneas en las dos últimas décadas ha dado lugar a un serio deterioro de la calidad y la cantidad de los recursos subterráneos en esta área. En particular el Suroeste de Taiwan muestra una tendencia decreciente en las cantidades de precipitación y en los días anuales de lluvia. Para gestionar de forma efectiva los recursos subterráneos en la Llanura Pingtung, se ha utilizado un modelo numérico aproximado para investigar la respuesta de las aguas subterráneas a la variabilidad climática. Un modelo hidrogeológico se construye a partir de la información geológica, hidrogeológica y geoquímica. Aplicando el modelo de regresión linear de la precipitación para las próximas dos décadas, el modelo resultante muestra que el descenso de los niveles de agua en el abanico proximal es alarmante, observándose el descenso del agua subterránea disponible en la presión del cambio climático, y el crecimiento del área de descensos de niveles de agua subterránea en la costa apunta a un deterioro de la cantidad y calidad del agua subterránea en el futuro. Se imponen pues, estrategias apropiadas para la gestión de los recursos hídricos en respuesta a los impactos hidrológicos del futuro cambio climático.

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Résumé La plaine de Pingtung est l’une des plus importantes zones de ressource en eau souterraine du Sud-Ouest de Taiwan. La surexploitation de l’eau souterraine durant les deux dernières décennies a conduit à une sérieuse détérioration de la quantité et de la qualité des ressources en eau souterraine dans cette zone. De plus, la manifestation des changements climatiques tend à induire une instabilité des ressources en eau souterraine et renforce l’importance des ressources en eau souterraine. Le Sud-Ouest de Taiwan montre, en particulier, des précipitations annuelles et des nombres annuels de jour de pluie à la baisse. Pour gérer efficacement les ressources en eau souterraine de la Plaine de Pingtung, une approche par modélisation numérique est adoptée pour étudier la réponse du système hydrogéologique aux variabilités climatiques. La construction du modèle hydrogéologique est basée sur les informations géologiques, hydrogéologiques et géochimiques. En appliquant le modèle de régression linéaire aux précipitations pour les deux prochaines décades, le résultat de la modélisation montre que la baisse du niveau d’eau atteint un état alarmant au regard de la décroissance des eaux souterraines disponibles et la contrainte du changement climatique, tandis que l’extension de la zone de niveau bas des eaux souterraines à la cote indique une détérioration de la quantité et de la qualité de l’eau dans le futur. Des stratégies convenables pour la gestion des ressources en eau souterraine en réponse aux impacts hydrologiques de futurs changements climatiques sont impératifs.

     

Comparative analysis between analytical approximations and numerical solutions describing recession flow in unconfined hillslope aquifers

Recession flow of aquifers from a hillslope can be described by the non-linear Boussinesq equation. Under strong assumptions and for specific conceptual formulations, different authors derived analytical approximations or linearized versions to this partial differential equation. A comparative analysis between some analytical approximations of the Boussinesq equation and the numerical solution of the recession flow of an unconfined homogeneous aquifer (horizontal, inclined and concave aquifer floor) was carried out. The objective was to define the range where the analytical solutions approximate the numerical solution. The latter was considered in this study as the reference method, because it requires fewer assumptions. From the considered analytical approximations, exponential decay relationships were found to be mainly valid for fine domain materials when horizontal, mild slopes (less than 2%) and concave aquifer floors were considered, but failed to reproduce coarse aquifer numerical model outflows, in contrast to the quadratic decay relationship, which better reproduce outflows in such domains. On the basis of the comparative analysis, it has been found that recession flows obtained with the considered analytical approximations yield similar values only for certain ranges of aquifer properties and geometries.

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Résumé L’écoulement de décrue dans les aquifères de versant peut être décrit par l’équation non-linéaire de Boussinesq. En considérant d’importantes hypothèses et des formulations conceptuelles spécifiques, différents auteurs ont dérivé des approximations analytiques ou des versions linéarisées de cette équation partielle différentielle. Une analyse comparative entre des approximations analytiques de l’équation de Boussinesq et une solution numérique de la décrue d’un aquifère homogène libre (limite inférieure de l’aquifère horizontale, inclinée et concave) a été effectuée. L’objectif était de définir la plage pour laquelle les solutions analytiques approchent la solution numérique. Cette dernière a été considérée dans cette étude comme la méthode de référence car elle demande moins d’hypothèses. Parmi les approximations analytiques considérées, les relations de décroissance exponentielle se sont avérées être principalement valides pour des matériaux fins lorsque des couches aquifères horizontales, concaves et de pentes douces (moins de 2%) étaient considérées; en revanche, celles-ci n’ont pas réussi à reproduire les écoulements sortants d’un modèle numérique pour un aquifère à matériaux grossiers, contrairement à la relation de décroissance quadratique qui reproduit mieux les écoulements sortants dans de tels milieux. Sur la base de l’analyse comparative, il s’est avéré que les écoulements en décrue obtenus avec les approximations analytiques considérées présentent des valeurs similaires seulement pour certains critères géométriques et propriétés de l’aquifère.

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Resumen Puede describirse el flujo de recesión de acuíferos de una ladera mediante la ecuación no-lineal de Boussinesq. Bajo fuertes supuestos y para formulaciones conceptuales específicas, distintos autores han derivado aproximaciones analíticas o versiones lineales para esta ecuación parcial diferencial. Se realizó un análisis comparativo entre algunas aproximaciones analíticas de la ecuación de Boussinesq y la solución numérica del flujo de recesión de un acuífero homogéneo no confinado (piso de acuífero cóncavo, inclinado, y horizontal). El objetivo consistió en definir el rango donde las soluciones analíticas aproximan la solución numérica. En este estudio se consideró la solución numérica como el método de referencia debido a que requiere menores supuestos. De las aproximaciones analíticas consideradas se encontró que las relaciones de desintegración exponencial eran principalmente válidas para materiales de ámbitos finos donde se consideraron pisos de acuíferos horizontal, pendientes medianas (menores a 2%) y cóncavos pero fallaron en reproducir flujos de salida de modelos numéricos de ámbito grueso, en contraste con la relación de desintegración cuadrática la cual reproduce mejor los flujos de salida en tales ámbitos. En base al análisis comparativo se encontró que los flujos de recesión obtenidos con las aproximaciones analíticas consideradas aportaron valores similares solo para ciertos rangos de propiedades y geometrías de acuíferos.

     

Characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems in the North China coal basin

A conceptual framework for characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems is presented, based on the features of the site conditions and analyses of the water bursting and mine inundation events of the North China coal basin. Comprehensive analyses of the hydrogeological conditions for establishment of the three-dimensional groundwater flow systems of the North China coal basin revealed different vertical hydraulic connection paths or channels. These connections include karst collapse columns, fault or fracture zones, buried weathering zones, and fracture networks in aquitards, within the multilayered groundwater flow systems. Also examined, was the effect of the primary features of the flow system and those different connection paths on water bursting and discharge into the underground coal mines. It was demonstrated that appropriately identifying and adequately understanding the three-dimensional multilayered groundwater flow systems and those various vertical hydraulic connection mechanisms are critical for appropriately preventing water bursting hazards and predicting water discharge into underground mines. A valuable guideline is presented on characterization of water bursting and discharge into underground mines with multilayered groundwater flow systems.

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Resumen Un cadre de travail conceptuel pour la caractérisation du jaillissement et de la vidange des eaux dans les mines à plusieurs niveaux d'écoulement est présenté, basé sur les conditions et l'analyse sur site du jaillissement des eaux et des inondations dans les bassins charbonneux du Nord de la Chine. L'analyse compréhensive des conditions hydrogéologiques des systèmes d'écoulement tridimensionnel de ces bassins, révèle des trajets ou des chenaux qui sont autant de connections hydrauliques verticales. Ces connections comprennent des effondrement karstiques en colonne, des zones de fractures et de failles, des zones d'altération, des réseaux de fractures dans les aquitards, dans le système hydrogéologique multicouche. L'influence des caractéristiques primaires du système d'écoulement et de ces différentes connections sur le jaillissement et la vidange dans les mines, est également examiné. Il a été démontré que l'identification appropriée et la compréhension adéquate du système d'écoulement souterrain multicouche et tridimensionnel, et des mécanismes variés de connection hydraulique verticale est critiquée pour prévenir de manière appropriée les risques de jaillissement et de vidange dans les mines. Des guidelines valorisables sont présentées, pour la caractérisation du jaillissement et de la vidange dans de tels systèmes.

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Résumé Se presenta un marco conceptual para la de caracterización de la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas con sistemas de acuíferos de múltiples niveles, el cual se basa en las condiciones del sitio, análisis de la despresurización de agua e inundaciones de minas en la cuenca de carbón del norte de la China.Un análisis comprehensivo de las condiciones hidrogeológicas para el establecimiento de los sistemas de flujo de agua de tri-dimensionales en la cuenca de carbón del norte de la China ha revelado diferentes canales hidráulicos verticales. Estas conexiones incluyen columnas de karst colapsadas, fallas o zonas de fracturas, zonas de regalita hundida y redes de fracturas en zonas de poca permeabilidad dentro de los sistemas de flujo de múltiples niveles.También se investigó el efecto de los rasgos primarios del sistema de flujo y los diferentes canales conectivos sobre la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas. Se demostró que el entendimiento e identificación adecuada de los sistemas de acuíferos de múltiples niveles en tres dimensiones es crítico para prevenir apropiadamente la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas. Se presentan lineamientos valiosos en relación con la despresurización y descarga de agua a minas subterráneas en sistemas de flujo de múltiple nivel.

     

Hydrogeological mapping in Switzerland

The 1:500,000 geological, tectonic and hydrogeological maps of Switzerland have been updated using a new approach for a geographical information system (GIS). Geological, tectonic and hydrogeological data are combined in a single polygon data set. Specific data (point and line elements) are additionally represented on a separate GIS layer for each map respectively. The new 1:500,000 hydrogeological map of Switzerland consists of two different sheets. The first sheet provides information on the near-surface groundwater resources and qualitative estimates of their yield. The second sheet displays the groundwater resource vulnerability and the capacity of lateral contaminant transport. The 1:100,000 hydrogeological map of Switzerland shows the distribution and use of groundwater in a selected area. The near-surface consolidated and unconsolidated rocks are classified in this map according to their permeability and lithological and petrographical properties. The map is available as a pixel map.

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Résumé  Les cartes aux 1:500,000 de la Suisse, portant sur la géologie, la tectonique et l’hydrogéologie, ont été mises à jour en utilisant une nouvelle approche pour un système d’information géographique (GIS, en anglais). Les données géologiques, tectoniques et hydrogéologiques ont été combinées sur un seul set de polygones. Les données plus spécifiques (points et lignes) sont représentées dans une couverture séparée, pour chaque carte respectivement. La nouvelle carte hydrogéologique de Suisse au 1:500,000 est constituée de deux différentes feuilles. La première feuille apporte des informations sur les ressources proches de la surface et sur leur rendement. La seconde feuille montre la vulnérabilité des ressources souterraines et le risque de pollution par transport latéral. La carte hydrogéologique de Suisse au 1:100,000 montre la distribution et l’utilisation de l’eau souterraine dans la région sélectionnée. Les roches consolidées ou meubles de sub-surface, sont classées au regard de leur perméabilité et de leurs propriétés lithologique et pétrographique. La carte est disponible pixellisée.

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Resumen  Los mapas geológico, tectónico e hidrogeológico de Suiza a escala 1:500,000 han sido actualizados utilizando un nuevo enfoque para un sistema de información geográfico (SIG). Los datos geológicos, tectónicos e hidrogeológicos se combinan en un conjunto de datos en un solo polígono. Por otra parte, para cada uno de los mapas, los datos específicos (elementos puntuales y lineales) se representaron en una capa separa del SIG. El nuevo mapa hidrogeológico de Suiza a escala 1:500,000 contiene dos capas diferentes. La primera de ellas suministra información de los recursos hídricos subterráneos poco profundos y estimaciones cualitativas de sus rendimientos. La segunda capa muestra la vulnerabilidad de este recurso y el riesgo debido al transporte lateral de contaminantes. El mapa hidrogeológico de Suiza a escala 1:100,000 muestra la distribución y uso del agua subterránea en un área seleccionada. Los sedimentos consolidados y no consolidados cercanos a la superficie se clasifican en este mapa en función de su permeabilidad y propiedades litológicas y petrográficas. El mapa se encuentra disponible como un mapa de pixeles.

     

From well-test data to input to stochastic continuum models: effect of the variable support scale of the hydraulic data

The question of how well the true underlying hydraulic conductivity statistics of heterogeneous media are captured by well tests is addressed. The hydraulic conductivity value and the corresponding support volume associated with a theoretical well are correlated, causing a bias in the statistics derived from well-test analyses. Statistics derived from numerically simulated well tests are compared with the known underlying conductivity statistics and the results indicate an under-prediction by simulations at higher hydraulic conductivities. The deviation starts at about mean conductivity and can be as large as an order of magnitude, with the conductivity in the vicinity of the well defining the upper boundary. In other words, the conductivity value interpreted from the well test cannot be larger than the value that the well test first encounters. Consequently, for data in this simulation exercise, the standard deviation, if only determined for the upper range of the conductivity values, would be underestimated by a factor of 1.6–2. While this specific range is likely to depend on the scale and degree of the underlying heterogeneity as well as the duration of the test, the results should be indicative of a more general behaviour and are likely to occur in other heterogeneous data as well.

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Resumen Se plantea la pregunta de qué tan bien son representadas en las pruebas de pozo, las estadísticas reales de conductividad hidráulica subyacente de medios heterogéneos. Son correlacionados el valor de conductividad hidráulica y el volumen de apoyo correspondiente asociado con un pozo teórico, causando una distorsión en las estadísticas derivadas del análisis de la prueba de pozo. Las estadísticas derivadas de las pruebas de pozo simuladas numéricamente son comparadas con las estadísticas de conductividad subyacente conocidas, y los resultados indican una sub-predicción por las simulaciones hechas con conductividades hidráulicas más altas. La desviación empieza casi con la conductividad media y puede ser tan grande como un orden de magnitud, con la conductividad en la vecindad del pozo definiendo el límite superior. En otras palabras, el valor de conductividad interpretado a partir de la prueba del pozo no puede ser más grande que el valor que la prueba de pozo encuentre primero. Por consiguiente, para los datos en este ejercicio de simulación, la desviación estándar, si solamente fue determinada para el rango superior de los valores de conductividad, se subestimaría en un factor de 1.6–2. Mientras es probable que este rango específico dependa de la escala y del grado de la heterogeneidad subyacente, así como de la duración de la prueba, los resultados deben ser indicativos de un comportamiento más general y son probables también de ocurrir en otros datos heterogéneos.

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Résumé Nous posons ici la question de savoir dans quelle mesure les statistiques de la conductivité hydraulique des milieux hétérogènes pourrait être révélée par des essais de puits. La valeur de la conductivité hydraulique et le volume capté correspondant sont corrélés, créant un biais dans l’analyse des statistiques dérivées des essais de puits. Les statistiques en provenance de simulations numériques d’essais de puits sont comparées avec les statistiques de conductivités connues et les résultats indiquent une sous-évaluation par les simulations, pour les conductivités hydrauliques les plus élevées: la déviation commence à partir de la valeur moyenne de la conductivité et peut atteindre la magnitude d’un ordre de grandeur en considérant la conductivité mesurée au voisinage du puits. Autrement dit, la valeur de la conductivité interprétée via l’essais de pompage ne peut être plus importante que les premières valeurs rencontrées. Par conséquence, pour les données de cet exercice de simulation, la déviation standard sera sous-estimée d’un facteur compris entre 1.6–2 pour les valeurs les plus élevées. Tandis que l’échelle spécifique de valeurs est dépendante de l’échelle et du degré de l’hétérogénéité souterraine, de même que de la durée du test, les résultats pourraient être indicatifs d’un comportement plus général et seraient sans doute observables dans d’autres cas de données hétérogènes.

     

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

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

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

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

     

Geomechanical model for fracture deformation under hydraulic, mechanical and thermal loads

Hydraulic flow and transport (heat and solute) within crystalline rocks is dominated by the fracture systems found within them. In situ stress conditions have a significant impact on the hydraulic, mechanical and thermal coupled processes, and quantification of these processes provides a key to understanding the often transient time-dependent behaviour of crystalline rocks. In this paper, a geomechanical model is presented which describes fracture closure as a function of effective stress and the changes in parameters such as storage, permeability, porosity and aperture. Allowing the fracture closure to be defined by the change in normal effective stress provides a link to the numerical consideration of parametrical changes due to rock stress alterations caused for example by changes in fracture fluid pressure, stress release, tectonic stress, thermal stress, orientation of the natural fracture in the pervasive stress system and local changes in a rock mass due to stress alteration. The model uses geometrical considerations based on a fractal distribution of apertures on the fracture surface, and applies well-established analytical elastic deformation solutions to calculate the deformation response to changes in effective stress. Analysis of the fractal generation method allows a standard normal distribution of fracture apertures to be predicted for all common fractal dimensions relating to a 2D surface. Changes in the fracture aperture are related to hydraulic functions such as permeability, storage and porosity of the fracture. The geomechanical model is experimentally validated against laboratory scale experimental data gained from the closure of a fractured sample recovered at a depth of 3,800 m from the KTB pilot borehole. Parameters for matching the experimental data were established externally, the only fitting parameters applied were the minimum and maximum contact area between the surfaces and the number of allowable contacts. The model provides an insight into the key processes determining the closure of a fracture, and can act as a material input function for numerical models linking the effects of changes in the stress field, hydraulic or thermal conditions, to the flow and transport parameters of a fractured system.

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Résumé L’écoulement et le transport (chaleur et soluté) dans les roches cristallines sont dominés par les systèmes de fracture. Les conditions de stress in-situ ont un impact significatif sur l’hydraulique, les processus couplés de mécanique et thermique et la quantification de ces processus apportent une clé pour comprendre le comportement transitoire des roches cristallines. Dans cet article un modèle géomécanique est présenté, modèle qui décrit la fermeture des fractures comme une fonction de la contrainte effective et des changements de paramètres tels le coefficient d’emmagasinement, la perméabilité, la porosité et l’ouverture. En s’accordant que la fermeture des fractures est définit par les changements de la contrainte effective normale, on apporte le lien avec la considération numérique des changements paramétriques dus aux altérations de la contrainte des roches, causés par exemple par des variations de la pression des fluides dans les fractures, du dégagement de la contrainte, des contraintes tectoniques et thermiques, des orientations des fractures naturelles dans le système de contraintes pénétrantes, et des changements locaux dans un massif de roches dus à l’altération des contraintes. Le modèle utilise des considérations géométriques basées sur une distribution fractale des ouvertures à la surface des fractures, et permet d’établir des solutions analytiques de la déformation élastique pour calculer la réponse de la déformation à la contrainte effective. L’analyse de la méthode par génération fractale permet de prédire une distribution normale standard de l’ouverture des fractures, pour toutes les dimensions fractales en relation avec les surfaces 2D. Les changements dans l’ouverture des fractures sont mis en relation avec les fonctions hydrauliques tels la perméabilité, l’emmagasinement et la porosité de la fracture. Le modèle géoméchanique est expérimentalement validé à l’échelle du laboratoire sur un échantillon fracturé récupéré à une profondeur de 3,800 mètres sur le puits du site pilote KTB. Les paramètres du calibrage des données expérimentales ont été établies extérieurement, les seuls paramètres utilisés étant les surfaces de contact minimum et maximum, et le nombre de contacts permis. Le modèle apporte une connaissance perspicace sur le processus clé déterminant la fermeture des fractures, et peut servir de fonction input dans les modèles numériques reliant les effets des variations de la contrainte du terrain, les conditions hydrauliques ou thermales, les paramètres de l’écoulement et du transport et les systèmes de fracture.

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Resumen El flujo hidráulico y transporte (de calor y solutos) dentro de rocas cristalinas está dominado por los sistemas de fracturas que se encuentran en ellas. Las condiciones de esfuerzos in-situ tienen un impacto significativo en los procesos aparejados termales, mecánicos e hidráulicos y la cuantificación de estos procesos aporta una clave para entender el frecuente comportamiento transitorio dependiente de las rocas cristalinas. En este artículo se presenta un modelo geomecánico que describe el cierre de fracturas en función del esfuerzo efectivo y los cambios en parámetros tal como almacenamiento, permeabilidad, porosidad y apertura. El definir el cierre de fractura mediante el cambio en esfuerzo normal efectivo aporta un vínculo con la consideración numérica de cambios paramétricos ocasionados por alteraciones de esfuerzos en la roca causadas, por ejemplo, por cambios en presión de fluidos en fractura, liberación de esfuerzo, esfuerzo tectónico, esfuerzo termal, orientación de fracturas naturales en el sistema de esfuerzos penetrante, y cambios locales en una masa rocosa ocasionados por alteración de esfuerzos. El modelo utiliza consideraciones geométricas basadas en la distribución fractal de aperturas en la superficie de fractura y aplica soluciones analíticas bien establecidas de deformación elástica para calcular la respuesta de deformación a cambios en el esfuerzo efectivo. Los análisis del método de generación fractal permiten predecir una distribución normal standard para la distribución de aperturas de fracturas para todas las dimensiones fractales comunes que se relacionan con una superficie 2D. Los cambios en la apertura de fractura se relacionan con funciones hidráulicas tal como permeabilidad, almacenamiento y porosidad de la fractura. El modelo geomecánico se ha validado experimentalmente en contra de datos experimentales a escala de laboratorio obtenidos a partir del cierre de una muestra fracturada recuperada a una profundidad de 3,800 m en el pozo piloto KTB. Se establecieron externamente parámetros que se ajustan a los datos experimentales, con los parámetros de ajuste aplicados que fueron el área máxima y mínima de contacto entre las superficies y el número de contactos permisibles. El modelo arroja luz sobre los procesos clave que determinan el cierre de una fractura y puede actuar como un material de función de entrada para modelos numéricos que vinculan los efectos de cambios en el campo de esfuerzos, condiciones termales o hidráulicas, con los parámetros de flujo y transporte de un sistema fracturado.

     

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

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

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

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

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Obtaining stable redox potential readings in gneiss groundwater and mine water: difficulties,meaningfulness, and potential improvement

Natural samples were run in three parallel flow-through cells in the laboratory in order to study the difficulties of obtaining stable redox potential readings, especially in gneiss groundwater and mine water with little redox buffer capacity. Redox potentials were recorded every 2 min for up to 5 days. Measured redox potentials were compared to means of partial potentials, modeled based on species-selective determinations of the most predominant redox-sensitive elements iron and nitrogen. Redox potentials stabilized reproducibly within minutes for a synthetic redox buffer solution and two well-buffered acid mine water samples at pH 2.3 and 3.5. For waters in redox disequilibrium, species-selective analytics might still be the better alternative compared to measuring the redox potential as summary parameter for modeling species distribution. In cases where the redox potential is the only readily available parameter, filtration and possibly acidification is recommended for quicker stabilization of redox potential readings and less deviations between measured and modeled values. A minimum of 2% was achieved in the samples investigated, however, often after measuring significantly longer than the previously suggested 30 min. Final stabilization could take up to several hours in waters with low buffer capacity.

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

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Résumé Afin d’étudier les difficultés à obtenir des lectures stables des potentiels redox, notamment sur les eaux souterraines présentes dans des gneiss et dans les mines, qui présentent un faible pouvoir tampon, des échantillons ont été prélevés régulièrement en laboratoire, dans trois cellules d’écoulement parallèles. Les potentiels redox ont été enregistrés toutes les deux minutes durant cinq jours. Ces potentiels redox mesurés ont été comparés aux moyennes des potentiels partiels, modélisés à partir des déterminations sélectives des espèces chimiques des éléments sensibles aux conditions redox les plus prédominants, le fer et l’azote. Les potentiels redox se sont systématiquement stabilisés en quelques minutes pour une solution tampon synthétique et pour deux échantillons d’eaux de mines acides bien tamponnées à pH 2.3 à 3.5. Pour les eaux en déséquilibre redox, des analyses sélectives des espèces chimiques seraient toujours la meilleure alternative aux mesures sommaires du potentiel redox, pour modéliser la distribution des espèces. Dans les cas où le potentiel redox est le seul paramètre directement disponible, une filtration et éventuellement une acidification sont recommandées pour obtenir une stabilisation plus rapide des lectures des potentiels redox, et pour réduire les écarts entre les valeurs mesurées et modélisées. Un minimum de 2% a été atteint parmi les échantillons étudiés, mais en prolongeant souvent les mesures au-delà des 30 minutes suggérées initialement. La stabilisation finale pourrait prendre jusqu’à plusieurs heures dans des eaux à faible pouvoir tampon.

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Resumen Se han llevado a cabo experimentos en laboratorio sobre tres muestras naturales en tres células de flujo paralelas, para estudiar las dificultades en la obtención de medidas de potencial redox estables, especialmente en aguas subterráneas procedentes de gneisses y en agua de minas con capacidades tampón redox bajas. Los potenciales redox fueron medidos cada dos minutos durante más de cinco días. Los potenciales redox medidos fueron comparados con medias de potenciales parciales, modelizados en base a determinaciones selectivas de especies de hierro y nitrógeno, los elementos predominantes redox-sensitivos. Los potenciales redox se estabilizaron de forma reproducible en minutos en una solución redox tampón y dos muestras de agua ácida de pozos de mina a pH 2.3 y 3.5. Para aguas en desequilibrio redox los análisis selectivos por especies deberían ser todavía la mejor alternativa comparados con la medida del potencial redox como una suma de parámetros para modelizar la distribución de especies. En casos en los que el potencial redox sea el único parámetro fácilmente obtenible, se recomienda una filtración y una posible acidificación para una estabilización más rápida de las medidas de potencial redox y que haya menos desviaciones entre los valores medidos y los del modelo. En las muestras investigadas se consiguió un mínimo de un 2%, sin embargo, a menudo incluso después de medidas significativamente más largas que las previamente sugeridas de 30 minutos. La estabilización final tuvo lugar después de más de varias horas en aguas con capacidad tampón baja.

     

Kriging Of Regional Hydrologic Properties In The Western San Joaquin Valley,California

Regional-scale hydrologic modeling is capable of assessing the impacts of irrigation practices and management strategies on water resources requires the estimation of spatially heterogeneous hydrologic properties. This paper shows how textural data from lithologic and geophysical logs of wells in the Western San Joaquin Valley, California, were kriged to obtain a regional spatial soil texture distribution. Surfaces obtained using three-dimensional indicator kriging are compared with those obtained using an inverse distance-weighting technique. Greatest differences between the methods occur where data with disparate values are clustered. Expected kriged values, which are less extreme than those from distance-weighting, are considered to be more representative of average values over three-dimensional spatial blocks, because they include the effect of local variability via the nuggest and use vertically correlated data. Anisotropic hydraulic conductivities are estimated from expected values of the kriged heterogeneous textural distribution to obtain improved estimates of regional hydrologic properties that also provide valuable information regarding uncertainty of the estimates.

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RESUMEN: Una modelización hidrológica a escala regional, capaz de evaluar los impactos de las prácticas de irrigación y de las estrategias de gestión de los recursos hidráulicos, requiere la estimación de propriedades hidrológicas que son hetereogéneas espacialmente. Este artículo muestra como los datos de textura procedentes de sondeos litológicos y geofísicos en pozos del Valle de Western San Joaquin, California, se krigearon para obtener la distribución espacial regional de la textura des suelo. Las superficies obtenidas usando krigeado indicador tridimensional se compararon con las obtenidas mediante la técnica de ponderación inversa con la distancia. Las mayores diferencias entre los dos métodos aparecen al agruparse datos con valores dispares. Los valores esperados procedentes del krigeado, menos extremos que los obtenidos por ponderación, se consideran más representativos de los valores medios sobre bloques tridimensionales, porque permiten incluir el efecto de la variabilidad local a través del comportamiento pepitítico, y porque usan datos correlacionados verticalmente. Se pueden estimar conductividades hidrálicas anisótropas a partir de los valores esperados krigeados de la distribución textural. Ello permite obtener mejores estimaciones de las propiedades hidrológicas regionales, así como información valiosa sobre la incertidumbre de las estimaciones.

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RéSUMé: La modélisation hydrologique à l'échelle régionale, dans le but d'évaluer les impacts des pratiques d'irrigation et des stratégies d'aménagement sur les ressources en cau, exige d'estimer les propriétés hydrogéologiques d'un ensemble hétérogène. C'est ainsi qu'il est montré comment les données sur la texture tirées de logs lithologiques et géophysiques de puits dans l'ouest de la vallée de San Joaquin (Californie) ont été krigées pour définir la répartition spatiale régionale de la texture des sols. Les surfaces obtenues au moyen d'un krigeage avec un indicateur 3-D sont comparées avec celles obtenues par une méthode inverse de pondération de distance. Il apparait de grandes différences entre les résultats de ces méthodes, là où les données sont rassemblées en groupes disparates. Les valeurs estimées par krigeage, qui présentent des extrêmes moindres que ceux de la méthode de pondération, sont considérées comme étant plus représentatives des valeurs moyennes dans des blocs en 3-D, parce q'elles prennent en compte les effets de la variabilité locale au travers de l'effet pépite et q'elles utilisent des données corrélées verticalement. Les conductivités hydrauliques anisotropes sont déduites des valuers estimées par krigeage de la distribution hétérogène de la texture, afin d'obtenir des estimations améliorées des propriétés hydrogéologiques régionales qui fournissent aussi une information intéressante sur l'incertitude des estimations.

     

Salinization of groundwater in the Nefzawa oases region,Tunisia: results of a regional-scale hydrogeologic approach

Groundwater pumped from the semi-confined Complexe Terminal (CT) aquifer is an important production factor in irrigated oases agriculture in southern Tunisia. A rise in the groundwater salinity has been observed as a consequence of increasing abstraction from the aquifer during the last few decades. All sources of contamination were investigated using hydrochemical data available from the 1980s. Water samples were taken from drains and observation wells tapping both the CT and the phreatic aquifers and analyzed with regard to chemistry, temperature, isotopes and other environmental tracers. Local salinization mechanisms are suggested, i.e. the upwelling of saline water from the underlying, confined Continental Intercalaire (CI) aquifer, as well as backflow of agricultural drainage water. At this stage, the main salt pan, the Chott el Djerid, is not a contamination source. A finite difference model was also developed to simulate groundwater flow and contaminant transport in the oases. Calibration for the period 1950–2000 was carried out in order to adjust geological and chemical system parameters. The simulation of planned extraction projects predicts a worsening of the present situation. Maintenance of the present abstraction regime will not reduce or stop the salinity increase.

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Résumé L’eau souterraine pompée dans l’aquifère semi-captif du Complexe Terminal (CT) est un facteur de production important pour l’agriculture des oasis irriguées du sud de la Tunisie. Une augmentation de la salinité de l’eau souterraine a été considérée comme la conséquence de l’augmentation des prélèvements dans l’aquifère au cours des dernières décades. Toutes les sources de contamination ont été étudiées à l’aide de données hydro-chimiques disponibles depuis les années 80. Des échantillons d’eau ont été prélevés dans des drains et des puits d’observation qui captent à la fois le CT et les aquifères phréatiques; la chimie, la température, les isotopes ainsi que d’autres traceurs environnementaux ont été analysés. Des processus locaux de salinisation sont proposés, comme par exemple la remontée d’eau salée en provenance de l’aquifère captif du Continental Intercalaire (CI) sous-jacent, ainsi que le reflux des eaux du drainage agricole. A ce stade, le principal marais salé, le Chott el Djerid, n’est pas une source de contamination. Un modèle aux différences finies a également été élaboré pour simuler les écoulements souterrains et le transport de contaminants dans les oasis. Une calibration pour la période 1950–2000 a été effectuée afin d’ajuster les paramètres des systèmes géologique et chimique. La simulation de projets planifiés d’extraction prédit une aggravation de la situation actuelle. La conservation du régime d’extraction actuel ne réduira ou ne stoppera pas l’augmentation de la salinité.

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Resumen El agua subterránea que se bombea del acuífero semi-confinado Terminal Complejo (CT) es un importante factor de producción en la agricultura de riego con oasis en el sur de Túnez. Se ha observado un incremento en la salinidad del agua subterránea como consecuencia de la abstracción creciente del acuífero durante las últimas décadas. Se investigaron todas las fuentes de contaminación usando datos hidroquímicos disponibles de la década de 1980s. Las muestras de agua se tomaron de drenajes y pozos de observación alojados tanto en el CT como los acuíferos freáticos y se analizaron en relación con química, temperatura, isótopos y otros trazadores ambientales. Se sugieren mecanismos de salinización local, i.e. el ascenso de agua salada a partir del acuífero confinado subyacente Intercalado Continental (CI), así como también retorno de flujo de agua de drenaje agrícola. En esta etapa, el pan salado principal, el Chott el Djerid, no es una fuente de contaminación. También se desarrolló un modelo de diferencia finita para simular el flujo de agua subterránea y el transporte de contaminantes en los oasis. Se calibró el modelo para el periodo 1950–2000 para de este modo ajustar parámetros del sistema químico y geológico. La simulación de los proyectos de extracción que se han planeado predice un empeoramiento de la situación actual. El mantenimiento del régimen de extracción actual no reducirá o detendrá el incremento de salinidad.

     

Factors influencing the hydraulic properties of wells in dolomite aquifers of Slovenia

The influence of eight factors on hydraulic parameters (transmissivity, hydraulic conductivity, specific capacity, specific capacity index and maximum yields) are analysed, with data based on hydrogeological reports of 298 wells in dolomite aquifers in Slovenia. Influence of lithological properties is very significant, with the highest values of analysed variables observed in pure late-diagenetic intensely fractured Cordevolian dolomites, followed by Anisian and Late Triassic (‘Main’ dolomite) dolomites with high carbonate content and high primary porosity. The hydraulic parameters are not dependent on aquifer age, partial penetration, and well depth. The effects of depth to the water table and existence of low permeability overburden are not of major importance. The hydraulic parameter values are higher the closer to a river the wells are located, and topographic setting has a major effect. From the well reports, it was not always deduced whether the values of hydraulic conductivity and transmissivity stand for the values of the fractures or of the matrix, so it is proposed that when there is doubt as to whether these values are properly calculated, the most accurate parameters that can be used for a further prediction of aquifer yield are the specific capacity and, to a somewhat lesser extent, the specific capacity index.

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Résumé  L’influence de 8 facteurs sur les paramètres hydrauliques (transmissivité, perméabilité, débit spécifique, courbe caractéristique et débit critique) est analysée sur des données issues des rapports de 298 puits dans les aquifères dolomitiques de Slovénie. L’influence des propriétés lithologiques est très significative : les valeurs les plus élevées sont observées dans les dolomies cordevoliennes pures, intensément fracturées et de diagénèse tardive, puis dans les dolomies de l’Anisien et du Trias Supérieur, avec une teneur élevée en carbonates et une forte porosité primaire. Les paramètres hydrauliques ne dépendent pas de l’age de l’aquifère, de la pénétration partielle ou de la profondeur. Les effets du niveau piézométrique et de l’existence d’une couverture peu perméable sont mineurs. Les paramètres hydrauliques augmentent à proximité des rivières, et la topographie a une influence majeure. Les rapports de forage ne stipulent pas systématiquement si les valeurs de perméabilité et de transmissivité sont relatives au réseau de fractures ou à la matrice ; il a par conséquent été proposé qu’en cas de doute sur le calcul de ces valeurs, les paramètres les plus significatifs pour remonter à la productivité de l’aquifère soient le débit spécifique et, dans une moindre mesure, la courbe caractéristique.

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Resumen  Se analiza la influencia de ocho factores sobre parámetros hidráulicos (transmisividad, conductividad hidráulica, capacidad específica, índice de capacidad específica, y rendimientos máximos) en base a datos de reportes hidrogeológicos de 298 pozos en acuíferos de dolomía en Eslovenia. La influencia de las propiedades litológicas es muy significativa con los valores más altos de variables analizadas presentes en dolomías Cordevolianas con diagénesis tardía fracturadas intensamente, seguidas por dolomías (dolomía “Principal”) del Anisiano y Triásico Tardío con alto contenido de carbonato y alta porosidad primaria. Los valores de los parámetros hidráulicos no son dependientes de la edad del acuífero, penetración parcial, y profundidad del pozo. Los efectos de profundidad al nivel freático y existencia de cobertura de baja permeabilidad no son de importancia fundamental. Los valores de los parámetros hidráulicos son más altos mientras más cerca de un río se localizan los pozos y el ámbito topográfico tiene un efecto principal. No se pudo deducir de los reportes de los pozos si los valores de transmisividad y conductividad hidráulica representan valores de las fracturas o de la matriz, de modo que se propone que cuando exista duda en cuanto a que si estos valores se han calculado de manera adecuada, los parámetros de mayor precisión que pueden utilizarse para una predicción futura del rendimiento del acuífero son la capacidad específica y, en menor medida, el índice de capacidad específica.

     

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

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

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

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

     

Multiple-method estimation of recharge rates at diverse locations in the North Carolina Coastal Plain, USA

Recharge rates determined at diverse study sites in a shallow, unconfined aquifer differed from one another depending on the analytical method used and on each method’s applicability and limitations. Total recharge was quantified with saturated-zone methods using water-table fluctuations at seven sites in North Carolina, USA and using groundwater-age dating at three of the seven sites; at two of the sites, potential recharge was quantified with an unsaturated-zone method using Darcy’s law; and at five of the sites, net recharge was quantified with a stream hydrograph-separation method using streamflow-recession curves. Historical mean net recharge was 25 to 69% of the historical total recharge rates. The large disparity is attributed to groundwater losses between recharge and discharge areas, primarily by evapotranspiration and seepage to underlying aquifers. The spatial distribution of historical mean annual total recharge did not vary between landscape units, as suggested in a previous study. Similarly, total recharge did not correlate significantly with mean annual rainfall, mean annual water table depth, or the surficial soil properties of percent clay and bulk density. Total recharge did correlate significantly with the surficial soil properties of percent sand and percent silt.

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Résumé Les taux de recharge déterminés sur divers sites d’études dans un aquifère phréatique libre, varient les uns par rapport aux autres selon la méthode analytique utilisée et les limites et l’applicabilité de chaque méthode. La recharge totale a été quantifiée avec des méthodes en zone saturée utilisant les fluctuations des nappes sur sept sites de la Caroline du Nord, USA, et en utilisant les datations des eaux souterraines sur trois des sept sites ; sur deux des sites, la recharge potentielle a été quantifiée avec une méthode en zone non-saturée utilisant la loi de Darcy, et sur deux sites, la recharge nette a été quantifiée suivant une méthode de séparation des hydrographes de cours d’eau utilisant les courbes de récession du débit. La moyenne historique de la recharge nette est comprise entre 25 et 69% des taux historiques de recharge totale. L’importante disparité est attribuée aux pertes en eaux souterraines entre les zones de recharge et les zones d’exutoire, d’abord par évapotranspiration et ensuite par infiltration vers les aquifères sous-jacents. La distribution spatiale de la recharge historique moyenne annuelle et totale ne varie pas selon les unités paysagères, comme cela était suggéré dans une étude antérieure. De même, la recharge totale n’est pas corrélée significativement avec la moyenne annuelle des précipitations, la moyenne annuelle de la profondeur de la nappe, ou les propriétés de surface des sols que sont le pourcentage d’argile ou la densité apparente. La recharge totale est corrélée significativement avec les propriétés de surface du sol et les teneurs en sable et en silt.

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Resumen Las tasas de recarga determinadas en diversos sitios de estudio en un acuífero somero no confinado difieren entre sí dependiendo del método analítico usado y de las limitaciones y aplicabilidad de cada método. Se cuantificó la recarga total con métodos de zona saturada usando fluctuaciones del nivel freático en siete sitios en Carolina del Norte, Estados Unidos, y usando datación de edades de agua subterránea en tres de los siete sitios; en dos de los sitios se cuantificó la recarga potencial con un método de zona no saturada usando la Ley de Darcy y en cinco de los sitios se cuantificó la recarga neta con el método de separación hidrográfica usando curvas de recesión de flujo en arroyos. La recarga neta media histórica varió entre 25 y 69% de las tasas de recarga total histórica. La diferencia tan grande se atribuye a pérdidas de agua subterránea entre áreas de descarga y recarga, principalmente por evapotranspiración y escurrimiento hacia acuíferos subyacentes. La distribución espacial de la recarga total anual media histórica no varió entre las unidades de paisaje, como ya se había sugerido en un estudio previo. De modo similar, la recarga total no guarda correlación significativa con la lluvia media anual, la profundidad media anual del nivel freático, o las propiedades superficiales del suelo, particularmente porcentaje de arcilla y densidad volumétrica. La recarga total si tuvo una correlación significativa con las propiedades superficiales del suelo tal como porcentaje de arena y porcentaje de limo.