Numerical approaches to simulate groundwater flow and transport in coastal aquifers - from regional scale management to submarine groundwater discharge

Numerical models of varying scales and degree of complexity are developed to study issues, directly or indirectly, related to coastal aquifer management in the Algarve (south of Portugal)

Transient-state calibration of a ground-water flow model and simulation of scenarios of development for the Almádena-Odeáxere aquifer system

Dissertação mest., Engenharia do Ambiente, Universidade do Algarve, 2009O presente trabalho de investigação pretendeu caracterizar a distribuição espacial do coeficiente de armazenamento no sistema aquífero Almádena-Odeáxere (AO) através da calibração de um modelo numérico de elementos finitos, com o objectivo de aumentar a fiabilidade da simulação em regime transitório, do seu funcionamento hidráulico. Após a calibração e validação do modelo para a simulação do comportamento hidráulico do AO em regime transitório, procedeu-se à simulação e análise do impacto de vários cenários hipotéticos de exploração do sistema aquífero e assim, espera-se demonstrar a utilidade destes modelos como ferramentas para a gestão responsável destes recursos. O sistema aquífero AO estende-se ao longo de 63.5 km2 nos Municípios de Lagos e Vila do Bispo, no Algarve, e encontra-se hidraulicamente ligado a vários corpos de água superficial que suportam ecossistemas vulneráveis. Os mais significantes dos quais, são as duas zonas húmidas que se encontram nas áreas de descarga natural do aquífero: (1) ao longo da ribeira de Bensafrim e (2) na Boca do Rio no canto SW do sistema aquífero. Dada a variabilidade sazonal da disponibilidade de água superficial e a natureza efémera das ribeiras associadas a estas zonas húmidas, a exploração deste sistema aquífero poderá ter efeitos sobre a disponibilidade de água para estes ecossistemas. Durante o ultimo século o aquífero AO era a principal fonte de abastecimento de água para as cidades de Lagos e Vila do Bispo. Recentemente, em 1999 este, foi substituído como fonte de abastecimento público por um sistema suportado por fontes de água superficial (designadamente barragens). No entanto, as limitações desta estratégia, dependente de uma única fonte de abastecimento, tornaram-se evidentes durante a seca de 2004-2005 e iniciaram um movimento na direcção de integrar o uso de águas superficiais e subterrâneas na estratégia de gestão dos recursos hídricos. È portanto fundamental compreender os impactos que a exploração destes recursos subterrâneos poderão ter sobre os aquíferos e outros sistemas que deles dependem. Foi implementado um modelo regional de elementos finitos de forma a investigar as relações quantitativas entre os dados históricos disponíveis sobre a exploração do aquífero, realizada pelas Câmaras Municipais e, as variáveis de estado resultantes da monitorização do AO (medições piezométricas e do caudal de fontes e ribeiras). Numa fase prévia, a distribuição espacial do parâmetro hidráulico transmissividade foi determinado para o AO usando métodos iii de calibração inversa do modelo e integrando informação disponível no que concerne à geometria do sistema, às condições de fronteira, à cartografia geológica e aos dados hidrológicos relevantes. De modo a permitir a simulação do comportamento hidráulico do AO em regime transitório, foi necessário proceder á caracterização da distribuição espacial do coeficiente de armazenamento. Comparado com o parâmetro transmissividade, o coeficiente de armazenamento considera uma gama de valores fisicamente possíveis bastante menor que a transmissividade, apresentando valores na ordem de 1x10-5 a 1x10-3 para aquíferos confinados e valores na ordem de 1x10-2 até valores de porosidade total para aquíferos livres. Considerouse que esta menor gama de valores a considerar não justificava o esforço e tempo necessários para a aplicação de métodos de calibração inversa em regime transitório. Assim, foi aplicado um método de tentativa e erro na calibração do modelo numérico para determinar a distribuição espacial do coeficiente de armazenamento. Os resultados da calibração forneceram a primeira estimativa da distribuição regional do coeficiente de armazenamento, com valores entre 0.05 e 0.125 obtidos em cinco zonas, o que resultou numa maior fiabilidade na evolução espacial e temporal de variáveis de estado para simulações em regime transitório, quer em regimes naturais, quer considerando diferentes cenários de utilização do recurso de água. Após esta calibração foi necessário proceder com a validação do modelo em regime transitório, o que contribuiu não só para averiguar a sua precisão e estabilidade mas também para a análise do impacto de vários cenários de exploração a que o aquífero foi exposto ao longo das últimas décadas. Estes cenários simulados do período entre 1997 e 2003 permitiram a análise do impacto das alterações significativas nas políticas de gestão dos recursos hídricos da região, não só a nível da dinâmica hidrogeológica numa escala regional mas também numa escala mais local nas áreas de descarga natural do sistema aquífero e as relações com as águas superficiais associadas. Os resultados obtidos mostraram um bom ajuste entre valores de potencial hidráulico e de descarga natural simulados e valores medidos no terreno. Com o estado actual do modelo foi possível avançar com a simulação de vários cenários hipotéticos de exploração do aquífero a partir dos furos municipais existentes no AO de modo a determinar os seus potenciais impactos. Para a realização destas simulações tomou-se em conta a recarga calculada a partir de valores de precipitação de Setembro de 2003 a Setembro de 2006, um período que cobre uma das épocas mais secas em registo. Os regimes de iv extracção considerados para cada simulação foram calculados com base no valor de capacidade de extracção máxima dos furos. Os caudais dos regimes foram variados entre 0% e 100%, em passos de 10%, da capacidade máxima de cada furo. Apesar destes regimes hipotéticos não serem representativos da variabilidade sazonal da procura de água, considerase que representam casos de “pior cenário”. Os resultados destas simulações de cenários hipotéticos demonstraram que a extracção de água subterrânea dos furos municipais tem um impacto significativo na dinâmica hidrogeológica regional e sobretudo nas zonas de descarga e subsequentemente sobre os corpos de água superficial associados, reduzindo a contribuição do aquífero para as ribeiras e zonas húmidas. De facto, as simulações sugerem que a descarga natural na zona das Portelas seria efectivamente nula com regimes de exploração que consideram apenas caudais de extracção de1.4x104 m3/dia (cerca de 35% da capacidade total dos furos municipais). No entanto, para quantificar o impacto desta redução de descarga é necessário um estudo mais detalhado acerca da importância da componente de água subterrânea para o funcionamento destes corpos de água superficial e os seus ecossistemas associados. Sugere-se que seja levada a cabo uma pesquisa futura que coordene modelos de escoamento de água subterrânea, modelos de água superficial e modelos ecológicos, de forma a optimizar os regimes de exploração do aquífero de forma a resultar no menor impacto possível sobre estes sistemas e os seus ecossistemas associados. Em suma, espera-se que o presente trabalho consiga demonstrar a utilidade e importância destes modelos como ferramentas para uma gestão mais eficiente e racional dos recursos hídricos. Além disso, pretende-se que os conclusões apresentadas reforcem a possibilidade da gestão de reservas de água subterrânea do sistema aquífero AO poder vir a ser efectuada utilizando este tipo de modelos

Decision-support groundwater modelling of managed aquifer recharge in a Coastal Aquifer in South Portugal

The Vale do Lobo sector of the Campina de Faro aquifer system in the Algarve (Portugal) is at risk of seawater intrusion. Managed Aquifer Recharge (MAR) is being considered to avoid groundwater quality deterioration. Numerical modelling was undertaken to assess the feasibility of several proposed MAR schemes. Although some data is available, many aspects of system behaviour are not well understood or measured. We demonstrate the use of a structurally simple but parametrically complex model for decision-making in a coastal aquifer. Modelling was designed to facilitate uncertainty reduction through data assimilation where possible, whilst acknowledging that which remains unknown elsewhere. Open-source software was employed throughout, and the workflow was scripted (reproducible). The model was designed to be fast-running (rapid) and numerically stable to facilitate data assimilation and represent prediction-pertinent uncertainty (robust). Omitting physical processes and structural detail constrains the type of predictions that can be made. This was addressed by assessing the effectiveness of MAR at maintaining the fresh-seawater interface (approximated using the Ghyben-Herzberg relationship) below specified thresholds. This enabled the use of a constant-density model, rather than attempting to explicitly simulating the interaction between fresh and seawater. Although predictive uncertainty may be increased, it is outweighed by the ability to extract information from the available data. Results show that, due to the limit on water availability and the continued groundwater extraction at unsustainable rates, only limited improvements in hydraulic heads can be achieved with the proposed MAR schemes. This is an important finding for decision-makers, as it indicates that a considerable reduction in extraction in addition to MAR will be required. Our approach identified these limitations, avoiding the need for further data collection, and demonstrating the value of purposeful model design.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Quantifying and modelling the contribution of streams that recharge the Querenca-Silves aquifer in the south of Portugal

The water balance of the mesocenozoic aquifers of the Algarve, in the south of Portugal has traditionally been estimated considering only direct ("autogenic") recharge from rainfall occurring in the area of the aquifers. Little importance has been attributed to so-called allogenic recharge, originating from streambed infiltration from runoff generated outside the aquifers, particularly in the Palaeozoic rocks to the north where runoff is high. The Querenca-Silves (QS) aquifer is the most important aquifer of the region both for irrigation and public water supply. Several important and sensitive surface/groundwater ecotones and associated groundwater dependent ecosystems exist at the springs of the natural discharge areas of the aquifer system. A numerical flow model has been in constant development over the last few years and currently is able to reproduce the aquifer's responses to estimated direct recharge and abstraction for the years 2001-2010. However, recharge calculations for the model do not take into account allogenic recharge infiltration along influent reaches of streams. The quantification of allogenic recharge may further improve the assessment of water availability and exploitation risks. In this paper an attempt is made to quantify the average annual contribution of allogenic recharge to the QS aquifer, based on monitoring data of the principal water courses that cross the aquifer system. Significant uncertainties related to surface runoff generated within the aquifer area, as well as areal recharge were identified and the consequences for the optimization of spatial distribution of transmissivity in the groundwater flow model are also addressed

Modelling groundwater-surface water interactions in the Sines aquifer system (Southwest of Portugal)

The Sines aquifer system, with an area of approximately 250 km2, located on the southwest coast of Portugal, is a multi-aquifer system consisting in a lower artesian karst aquifer supported by carbonate formations of the Jurassic, and a top detritic phreatic aquifer which lies in marine Miocene and Plio-Pleistocene formations. A numerical flow model for this aquifer system has already been developed previous to this study. However, the estimates of water transfers between the top detritic aquifer system and the stream network have not been validated and calibrated, due to insufficient monitoring to allow real data to be compared with the model simulations. Answering this issue, a monitoring plan was implemented, in the context of research project Groundscene, to continuously register hydraulic head and stream discharges data, in order to produce estimates of groundwater contributions from the top detritic aquifer to the stream network, allowing the calibration of the numerical flow model developed for the top detritic Sines aquifer system. The proposed model allowed the simulations of groundwater contributions in different scenarios of prospective exploitation and climate change, being useful as a forecast tool to support decision making regarding groundwater exploitation for human consumption while protecting groundwater dependent ecosystems

Re-Assessing coastal groundwater management policy in the Algarve: estimating the potential for seawater intrusion

Groundwater supplies about 70% of the fresh water needs in Portugal with most of the aquifers occurring at the coastline, where more than 60% of the whole population dwells. The overexploitation of groundwater resources during the final decades of the 20th century, lead to a gradual decrease in water quality in many coastal aquifers of the Algarve, the southernmost region of Portugal.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Modeling nitrate-contaminated groundwater discharge to the Ria Formosa Coastal Lagoon (Algarve, Portugal)

A numerical flow and transport model is developed to assess groundwater discharge and nutrient transport to the Ria Formosa coastal lagoon in southern Portugal. A total N load of 350 ton/year is estimated for the considered area, of which agriculture accounts for 73% of total N load, and domestic effluent and atmospheric deposition for the remaining 9% and 18% respectively. Model results suggest that nutrient recycling has led to the high concentrations observed in the Campina de Faro (M12) aquifer, but is still insufficient to account for observed values at the coastline. Furthermore results suggest that even for the best case mitigation scenario, good quality status will not be achieved by 2027, as mandated by the EU Water Framework Directive.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Modelling contributions of the local and regional groundwater flow of managed aquifer recharge activities at Querença-Silves Aquifer System

The Querença-Silves (QS) aquifer system is one of the most important natural groundwater reservoirs in the Algarve region of southern Portugal. With a surface area of 324 km2, this karst aquifer system is the main source of supply for irrigation as well as an important source of water for the urban supply.info:eu-repo/semantics/publishedVersio

Iron Behaving Badly: Inappropriate Iron Chelation as a Major Contributor to the Aetiology of Vascular and Other Progressive Inflammatory and Degenerative Diseases

The production of peroxide and superoxide is an inevitable consequence of aerobic metabolism, and while these particular "reactive oxygen species" (ROSs) can exhibit a number of biological effects, they are not of themselves excessively reactive and thus they are not especially damaging at physiological concentrations. However, their reactions with poorly liganded iron species can lead to the catalytic production of the very reactive and dangerous hydroxyl radical, which is exceptionally damaging, and a major cause of chronic inflammation. We review the considerable and wide-ranging evidence for the involvement of this combination of (su)peroxide and poorly liganded iron in a large number of physiological and indeed pathological processes and inflammatory disorders, especially those involving the progressive degradation of cellular and organismal performance. These diseases share a great many similarities and thus might be considered to have a common cause (i.e. iron-catalysed free radical and especially hydroxyl radical generation). The studies reviewed include those focused on a series of cardiovascular, metabolic and neurological diseases, where iron can be found at the sites of plaques and lesions, as well as studies showing the significance of iron to aging and longevity. The effective chelation of iron by natural or synthetic ligands is thus of major physiological (and potentially therapeutic) importance. As systems properties, we need to recognise that physiological observables have multiple molecular causes, and studying them in isolation leads to inconsistent patterns of apparent causality when it is the simultaneous combination of multiple factors that is responsible. This explains, for instance, the decidedly mixed effects of antioxidants that have been observed, etc...Comment: 159 pages, including 9 Figs and 2184 reference