Modeling water resources management at the basin level: review and future directions

Water quality / Water resources development / Agricultural production / River basin development / Mathematical models / Simulation models / Water allocation / Policy / Economic aspects / Hydrology / Reservoir operation / Groundwater management / Drainage / Conjunctive use / Surface water / GIS / Decision support systems / Optimization methods / Water supply

Generalized Lagrangian Coordinates for Transport and Two-Phase Flows in Heterogeneous Anisotropic Porous Media

We show how Lagrangian coordinates provide an effective representation of how difficult non-linear, hyperbolic transport problems in porous media can be dealt with. Recalling Lagrangian description first, we then derive some basic but remarkable properties useful for the numerical com- putation of projected transport operators. We furthermore introduce new generalized Lagrangian coordinates with their application to the Darcy–Muskat two-phase flow models. We show how these generalized Lagrangian coordinates can be constructed from the global mass conservation, and that they are related to the existence of a global pressure previously defined in the literature about the subject. The whole representation is developed in two or three dimensions for numerical purposes, for isotropic or anisotropic heterogeneous porous media

NCR-days 2008 : 10 years NCR: November 20-21

De verschillende subthema’s van de NCR-dagen 2008, (i) Stroomgebied en Overstromingsrisico management (ii) Hydrologie en (iii) Geomorfodynamica en Morfologie, dekken een groot gedeelte van het hedendaagse onderzoek dat in Nederland op rivierkundig gebied wordt uitgevoerd

Comprehensive Conjunctive-Use Management of Connected Surface Water Groundwater Systems using Stochastic Inputs and Uncertainties

A comprehensive conjunctive-use management model is developed. The dynamics of flow and solute transport processes in connected surface water groundwater systems are integrated by a dual programming management model. The governing aquifer flow parameters and streamflows are treated as stochastic random processes. Multiple realizations of the random field are generated and are explicitly incorporated in a non-linear optimization model along with other system, environmental, and management constraints. To facilitate management of large aquifer systems, a linked simulation-optimization approach is used. The simulation program generates the response matrices for flow and transport processes. The management model then determines optimal well discharges and optimal surface water diversion rates. Further, the model determines optimal concentration injection rates for recharge wells and optimal concentration disposal into surface water bodies. Implicit finite difference method is used in modeling the two-dimensional, unsteady groundwater flow and transport process. Iterative alternating direction implicit method is used in its solution. Leaky aquifer, evapotranspiration, aerial recharge, and induced infiltration can be accounted for. Advection, diffusion, and dispersion of conservative and non-conservative substances are considered in the transport model. In modeling advective component four schemes were investigated. It was found that the quadratic upstream interpolation method is the best. Implicit finite difference method is used in modeling the one-dimensional, unsteady surface water flow and solute transport processes. The surface water groundwater interaction, stream mass balance, initial and boundary conditions are input to the management model as system constraints. The individual components of the model developed are tested by comparing the numerical results obtained with analytical solutions and other generic numerical models where available. The model developed is demonstrated for a large aquifer. The considered hypothetical aquifer in model application is based on Yorktown-Eastover aquifer characteristics of Southeastern Virginia Aquifer system. The comprehensive model developed in this study can be used for field applications of large aquifer systems over a longer management horizon

The occurrence and origin of salinity in non-coastal groundwater in the Waikato region

Aims The aims of this project are to describe the occurrence, and determine the origin of non-coastal saline groundwater in the Waikato region. High salinity limits the use of the water for supply and agricultural use. Understanding the origin and distribution of non-coastal salinity will assist with development and management of groundwater resources in the Waikato. Method The occurrence of non-coastal groundwater salinity was investigated by examining driller’s records and regional council groundwater quality information. Selected wells were sampled for water quality analyses and temperatures were profiled where possible. Water quality analyses include halogens such as chloride, fluoride, iodide and bromide. Ratios of these ions are useful to differentiate between geothermal and seawater origins of salinity (Hem, 1992). Other ionic ratio approaches for differentiating sources and influences on salinity such as those developed by Alcala and Emilio (2008) and Sanchez-Martos et al., (2002), may also be applied. Potential sources of salinity include seawater, connate water, geothermal and anthropogenic influences. The hydrogeologic settings of saline occurrence were also investigated, to explore the potential to predict further occurrence. Results Numerous occurrences of non-coastal saline groundwater have been observed in the Waikato region. Where possible, wells with relatively high total dissolved solids (TDS) were selected for further investigation. Several groundwater samples are moderately saline and exceed the TDS drinking water aesthetic guideline of 1,000 g m-3 (Ministry of Health, 2008). Selected ion ratios (predominantly halogens) were used to assist in differentiating between influences on salinity such as seawater and geothermal. Bromide to iodide ratios, in particular, infer a greater geothermal influence on salinity, although other ratios are not definitive. The anomalously elevated salinity observed appears natural but nevertheless has constrained localised groundwater resource development for dairy factory, industrial and prison water supply use. Further work may show some relationship with geology or tectonics, which could assist prediction of inland saline groundwater occurrence

Vortices of Electro-osmotic Flow in Heterogeneous Porous Media

Traditional models of electrokinetic transport in porous media are based on homogenized material properties, which neglect any macroscopic effects of microscopic fluctuations. This perspective is taken not only for convenience, but also motivated by the expectation of irrotational electro-osmotic flow, proportional to the electric field, for uniformly charged surfaces (or constant zeta potential) in the limit of thin double layers. Here, we show that the inherent heterogeneity of porous media generally leads to macroscopic vortex patterns, which have important implications for convective transport and mixing. These vortical flows originate due to competition between pressure-driven and electro-osmotic flows, and their size are characterized by the correlation length of heterogeneity in permeability or surface charge. The appearance of vortices is controlled by a single dimensionless control parameter, defined as the ratio of a typical electro-osmotic velocity to the total mean velocity

Improving the conceptualization of the streamflow Travel Time Distribution and its estimation from isotopic tracers

Wasser, das durch hydrologische Landschaften (wie Einzugsgebiete) fließt, benötigt unterschiedlich lange, um den nächsten Fluss zu erreichen. In anderen Worten: das Wasser im Fluss besteht aus einer Verteilung von Wasser verschiedenen Alters. Transitzeitverteilungen (engl.: Travel Time Distributions (TTDs)) charakterisieren die Transitzeiten des Wassers bis zum Abfluss aus einem Einzugsgebiet und beschreiben, wie Einzugsgebiete Wasser speichern und abgeben, das vor Tagen, Monaten und Jahren als Niederschlag gefallen ist. Kenntnisse über Transitzeitverteilungen sind entscheidend für ein besseres Wasserressourcenmanagement, weil sie Einblicke in Fließwege und –geschwindigkeiten in hydrologischen Systemen gewähren. Außerdem sind sie entscheidend bei der Steuerung hydrologischer Modelle zur Simulation von Wasserqualität. Transitzeitverteilungen in Flüssen werden über hydrologische Tracer, wie die stabilen Isotope von Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H), abgeschätzt. Detaillierte Eigenschaften der Transitzeitverteilungen, wie deren Form, Statistik, und zeitliche Variabilität, sind nicht vollkommen entschlüsselt und die Faktoren, die diese Eigenschaften beeinflussen, sind nicht klar identifiziert. Darüber hinaus gibt es keine Rahmenvereinbarungen für die Schätzung instationärer Transitzeitverteilungen sowie deren Anwendung bei der Modellierung des Transports von Isotopentracern. Diese Einschränkungen haben ihren Ursprung zum Teil in der weit verbreiteten Verwendung einfacher stationärer Transitzeitverteilungsmodelle, die aus niedrig aufgelösten Tracerdaten der letzten Jahrzehnte abgeleitet wurden. Die meisten Transitzeit-Studien basieren auf zweiwöchentlichen oder monatlichen Daten stabiler Isotope, die meist über einen Zeitraum von weniger als zwei Jahren aufgenommen wurden. Dementsprechend wurde die zeitliche Varianz der Transitzeitverteilung in den meisten analytischen Transitzeitverteilungsmodellen, mit denen die Tracer Zeitreihen verglichen wurden, nicht berücksichtigt. Das alles überspannende Ziel dieser Arbeit ist es, zu verstehen, was die Form und zeitliche Variabilität von Transitzeitverteilungen beeinflusst und wie sie aus Tracerdaten abgeleitet werden können. Dafür werden theoretische Untersuchungen, experimentelle Arbeit (Feld- und Laborarbeit), sowie Modellierung auf eine Weise kombiniert, die weit über bisherige Arbeiten hinausgeht. In luxemburgischen Untersuchungsgebieten wurden über zwei Jahre Isotopentracer ($^2$H, $^{18}$O, $^3$H) im Niederschlag und Abfluss in hoher Auflösung (mehrere Messungen pro Tag) gemessen. Basierend auf den theoretischen und experimentellen Grundlagen, insbesondere unter Berücksichtigung des in Luxemburg erhobenen Isotopendatensatzes, wurden verbesserte Parametrisierungen von Transitzeitverteilungen und neue analytische Modelle vorgeschlagen. Es wurde eine Methode zur Einschätzung von Informationen über das Alter des Wassers über einen „dual-isotopischen“-Ansatz (unter Verwendung von $^2$H und $^3$H) vorgeschlagen, um aufkommende Missverständnisse über die Grenzen der stabilen Isotope von O und H im Vergleich zu $^3$H aufzuklären. Die Arbeit dieser Dissertation zeigt, dass die Transitverteilungen des Wassers vielfältigere Formen und komplexere Variabilitäten haben können, als in Studien des letzten Jahrzehnts angenommen wurde. Im mediterranen Klima kann es beispielsweise bei übergängen zwischen Sommer und Winter zu komplexen Mustern des Wasseralters kommen. überlagerte Abflussbildungsprozesse unterschiedlicher Fließwege oder -geschwindigkeiten können multimodale Transitzeitverteilungen generieren, die verschiedene Altersspitzen enthalten. Darüber hinaus wird gezeigt, dass nur Tracer, die in Kombination verwendet werden, so wie $^2$H und $^3$H, helfen können, um multiple Spitzen der Transitzeitverteilungen und deren langen Auslaufkurven, die mit altem Wasser assoziiert werden, zu entschlüsseln. Akkurate Transitzeitverteilungen des Abflusses werden bald zu einem wesentlichen Konzept für die Bemühungen von Entscheidungsträgern im Wassermanagement werden, eine Minderung der Wasserqualität einzudämmen. Die effizientere und präzisere Bestimmung von instationären Transitzeitverteilungen des Abflusses über Isotopentracer und ihre in dieser Arbeit vorgeschlagene verbesserte Parametrisierung ebnen den Weg für ein ganzheitliches Verständnis von Wasserfließwegen und Wasserqualität in Einzugsgebieten