LPMLE3 : a novel 1-D approach to study water flow in streambeds using heat as a tracer

We introduce LPMLE3, a new 1-D approach to quantify vertical water flow components at streambeds using temperature data collected in different depths. LPMLE3 solves the partial differential equation for coupled water flow and heat transport in the frequency domain. Unlike other 1-D approaches it does not assume a semi-infinite halfspace with the location of the lower boundary condition approaching infinity. Instead, it uses local upper and lower boundary conditions. As such, the streambed can be divided into finite subdomains bound at the top and bottom by a temperature-time series. Information from a third temperature sensor within each subdomain is then used for parameter estimation. LPMLE3 applies a low order local polynomial to separate periodic and transient parts (including the noise contributions) of a temperature-time series and calculates the frequency response of each subdomain to a known temperature input at the streambed top. A maximum-likelihood estimator is used to estimate the vertical component of water flow, thermal diffusivity, and their uncertainties for each streambed subdomain and provides information regarding model quality. We tested the method on synthetic temperature data generated with the numerical model STRIVE and demonstrate how the vertical flow component can be quantified for field data collected in a Belgian stream. We show that by using the results in additional analyses, nonvertical flow components could be identified and by making certain assumptions they could be quantified for each subdomain. LPMLE3 performed well on both simulated and field data and can be considered a valuable addition to the existing 1-D methods

Quantification of the groundwater-surface water interaction by analysing temperature gradients in the streambed of the Aa river, Belgium

The aim of this research is to gain better insight in the diverse physical and biological processes in margins, inundation areas and the hyporheic zone of water courses on a local scale. Data and results presented are from a multidisciplinary study on exchange processes in river ecosystems in which biologists, hydrologists, ecologists and engineers cooperate.Groundwater and eco-biochemical models are integrated in order to determine the exchange of water, dissolved compounds and particulate matter. Several of these processes occur simultaneously and result in feedback to other processes; hence most of the investigations aim to determine net rates of exchange. GIS is used for data management, while FEMME (Soetaert et al., 2002) serves as a platform for the integration of the different models such as MODFLOW, DAFLOW, Delft3D, and WetSpa.An innovative but cost-effective method for field investigation is the measurement of streambed temperatures profiles, which lead to a delineation and quantification of the groundwater discharge on a local scale. For the Aa River site in Belgium, a typical low land river system, combinations of longitudinal and cross-sectional measurements of temperature profiles have been conducted. Along a 1400 m long section, 5 vertical measurements of up to 80-100 cm deep into the river bottom have been performed bi-monthly between August 2004 and February 2007 at 14 measurement points and 5 cross-sections. With this information we assessed the vertical component of the groundwater flux and the spatial and temporal variability of the groundwater-surface water exchange.A streambed temperature survey does not lead directly to an estimation of the groundwater flux. Additional information, especially thermodynamic parameters of the soilwater matrix are necessary.The groundwater fluxes were calculated as point values at the measurement locations on basis of an analytical solution presented by Arriaga et al. (2006), and which is solved with the help of Microsoft Excel Solver and MATLAB. The fundamental heat flow equation was also introduced in a diagenetic model, setup in FEMME and used to compare with the Arriaga et al. (2006) solution. Interpolation of the point estimates results in net groundwater fluxes on the scale of the surveyed area. These results show discharge as well as recharge dependent on the location along the section and the season. The upper reach shows in general higher discharge rates and no change in direction of the groundwater flow, whereas the lower reach is characterized by lower flow rates and a change of direction of flow

Stationär oder instationär? Verwendung vertikaler Temperaturprofile zur Quantifizierung von Oberflächen-Grundwasseraustausch

Wärme als natürlicher Tracer findet zu¬neh¬mend Verwendung bei der Quanti¬fizie¬rung von Austauschflüssen zwischen Ober¬flächen- und Grundwasser (STONESTROM und CONSTANTZ 2002). Vor allem in Fluss-Grund¬wasser¬syste¬men sind Temperaturmessungen zur Cha¬rak¬ter¬isierung und Quantifizierung des Aus¬tausches sowohl qualitativ als auch quantitativ eingesetzt worden (CONANT 2004, SCHMIDT ET AL. 2006). Ein Ansatz zur Quanti¬fizierung der Austauschflüsse ist die Bestimmung des kon¬¬¬vek¬tiven Wärmetransports aus einer in¬ver¬sen Simulation gemessener, vertikaler Tem¬peratur¬¬profile. Unter der Annahme quasi-stationärer Rand¬bedingungen stehen für die inverse An¬passung ana¬lytische Lösungen der Wärme¬transport¬glei¬ch¬ung zur Verfügung, die auch für Fluss-Grund¬wasser¬systeme erfolg¬reich ein¬gesetzt wurden (CONANT 2004, SCHMIDT ET AL. 2006). Für viele Oberflächen-Grund¬wasser¬¬systeme ist die Annahme quasi-stationärer Rand¬¬bedingungen jedoch nur ein¬ge¬schränkt gültig und eine instationäre Lösung der Wärme¬transport¬gleichung ist erforderlich. In dieser Studie werden verschiedene Ansätze zur inversen Simulation vertikaler Temperatur¬profile für mehrere Ober¬flächen-Grund¬wasser¬systeme verglichen. Dabei kommen einfache, analy¬tische Lösungen (z.B. STALLMANN 1965, SCHMIDT ET AL. 2006), instationäre Wärme¬bilanz¬modelle auf der Basis der Modell¬plattform FEMME sowie die numerische Simu¬¬lation des gekoppelten Wasser- und Wärme¬flusses mit dem USGS-Code VS2DH zum Einsatz. Das Modell FEMME (Flexible Environment for Mathematically Modeling the Environ¬ment, SOETAERT ET AL.. 2002), ist eine auf FORTRAN basierende Simulations¬umgebung. FEMME wurde entwickelt um ökologische Systeme auf analytischer Basis zu simulieren. In das bestehende Modellsystem wurde in ein vertikales, auf ana¬lytischen Lö¬sun¬gen von STALLMANN (1965) und LAPHAM (1989) basierendes 1D Wärme¬transport Modell integriert. Für die Vergleichsstudie wurden Temperatur¬profile der hyporheischen Zone verwendet, die in Fluss- und See-Grund¬wasser¬systemen ge¬mes¬sen wurden. Bei der Simulation der Temperaturprofile und der dabei erfolgenden Inversion der Austauschraten wurde vor Allem der Frage nachgegangen, unter welchen Bedingungen eine einfache stationäre und wann eine instationäre Simulation erforderlich sind, um verlässliche Austauschraten bestim¬men zu können.status: publishe

Räumliche and zeitliche Verteilung von Grundwasser-Oberflächenwasserinteraktion in Fliessgewässern: Eine Vergleichsstudie zwischen der Aa (Belgien) und der Biebrza (Polen)

Die Transport- und Austauschprozesse von Partikeln, Nährstoffen und anderen gelösten Stoffen zwischen den Kompartimenten Grundwasser, Gewässerboden, Makrophyten und Oberflachenwasser werden durch die räumliche und zeitliche Verteilung der lokalen Grundwasserströmung maßgeblich beeinflusst. Um die vertikalen Strömungsmuster in der hyporheischen Zone zu untersuchen wurde Wärme als konservativer Tracer genutzt (CONANT JR. 2004, SCHMIDT ET AL. 2006). Temperaturprofile wurden einerseits kontinuierlich mittels Datenloggern in im Gewässerboden platzierten Piezometern, andererseits zu verschiedenen Zeitpunkten räumlich verteilt als Längs- und Querprofile entlang der Messstandorte gemessen. Diese Methodik wurde an den Standorten, der Aa, einem typischen Tieflandfluss im nördlichen Flandern, Belgien, sowie auf den oberen Abschnitt des Biebrza Flusses, Teil des Biebrza Nationalparks, im nordöstlichen Teil Polens angewandt. Beide Flüsse zeichnen sich durch ein niedriges Gefälle aus. Der mittlere Abfluss der beiden Flüsse beträgt 1,8 m3/s respektive 0,4 m3/s. Während die Aa ein künstlich stark verändertes sandiges Flussbett aufweist, mäandriert die Biebrza nach wie vor stark in ihrem natürlichen Flussbett das vorwiegend aus unterschiedlich mächtigem Torf besteht. Die gemessenen Temperaturprofile des Gewässerbodens wurden mit der Software FEMME (SOETART ET AL. 2001) bearbeitet, einer Plattform zur Modellierung von Ökosystemen. Die vertikale Grundwasserströmung wurde anhand von analytischen Lösungen (SUZUKI 1960, LAPHAM 1989, ARRIAGA 2006) sowohl quasi- stationär als auch instationär berechnet. Zur Validierung der Ergebnisse wurde ein Grundwassermodell basierend auf MODFLOW verwendet. Die Ergebnisse zeigen die gute Eignung der Temperaturmethode um besonders kleinräumige, lokale Prozesse zu untersuchen. Die aus den Datenloggern gewonnenen Daten erlauben überdies die zeitlichen Änderungen der Interaktionsprozesse zu erfassen. Der Torfboden des Biebrza Flusses stellt dabei höhere Ansprüche an die Messung und Modellierung. Ergebnisse zeigen deutliche räumliche und zeitliche Unterschiede an beiden Flüssen mit jeweils typischen Eigenheiten.status: publishe

Improving surface–subsurface water budgeting using high resolution satellite imagery applied on a brownfield

The estimation of surface–subsurface water interactions is complex and highly variable in space and time. It is even more complex when it has to be estimated in urban areas, because of the complex patterns of the landcover in these areas. In this research a modeling approach with integrated remote sensing analysis has been developed for estimating water fluxes in urban environments. The methodology was developed with the aim to simulate fluxes of contaminants from polluted sites. Groundwater pollution in urban environments is linked to patterns of land use and hence it is essential to characterize the land cover in a detail. An objectoriented classification approach applied on high-resolution satellite data has been adopted. To assign the image objects to one of the land-cover classes a multiple layer perceptron approach was adopted (Kappa of 0.86). Groundwater recharge has been simulated using the spatially distributed WetSpass model and the subsurface water flow using MODFLOW in order to identify and budget water fluxes. The developed methodology is applied to a brownfield case site in Vilvoorde, Brussels (Belgium). The obtained land use map has a strong impact on the groundwater recharge, resulting in a high spatial variability. Simulated groundwater fluxes from brownfield to the receiving River Zenne were independently verified by measurements and simulation of groundwater-surface water interaction based on thermal gradients in the river bed. It is concluded that in order to better quantify total fluxes of contaminants from brownfields in the groundwater, remote sensing imagery can be operationally integrated in a modeling procedure.status: publishe

LPML and LPMLE3 codes: local polynomial maximum likelihood estimator (semi-infinite and 3 point)

This package contains the LPML and LPMLE3 codes which has been cleaned up for external use. The codes are an updated version belonging to the publications: Determining groundwater-surface water exchange from temperature-time series: Combining a local polynomial method with a maximum likelihood estimator by G. Vandersteen, U. Schneidewind, C. Anibas, C. Schmidt, P. Seuntjens and O. Batelaan LPMLE3: A novel 1-D approach to study water flow in streambeds using heat as a tracer by U. Schneidewind, M. van Berkel, C. Anibas, G. Vandersteen, C. Schmidt, I. Joris,P. Seuntjens, O. Batelaan, and H. J. Zwar