Hydrogeology Journal

, Volume 12, Issue 2, pp 197–208

# Three-dimensional mathematical model to simulate groundwater flow in the lower Palar River basin, southern India

• M. Senthilkumar
• L. Elango
Report

## Abstract

A three-dimensional mathematical model to simulate regional groundwater flow was used in the lower Palar River basin, in southern India. The study area is characterised by heavy abstraction of groundwater for agricultural, industrial and drinking water supplies. There are three major pumping stations on the riverbed apart from a number of wells distributed over the area. The model simulates groundwater flow over an area of about 392 km2 with 70 rows, 40 columns, and two layers. The model simulated a transient-state condition for the period 1991–2001. The model was calibrated for steady- and transient-state conditions. There was a reasonable match between the computed and observed heads. The transient model was run until the year 2010 to forecast groundwater flow under various scenarios of overpumping and less recharge. Based on the modelling results, it is shown that the aquifer system is stable at the present rate of pumping, excepting for a few locations along the coast where the groundwater head drops from 0.4 to 1.81 m below sea level during the dry seasons. Further, there was a decline in the groundwater head by 0.9 to 2.4 m below sea level in the eastern part of the area when the aquifer system was subjected to an additional groundwater withdrawal of 2 million gallons per day (MGD) at a major pumping station.

## Keywords

Numerical modelling Coastal aquifer Groundwater flow Groundwater management Palar River basin

## Résumé

Les modèles mathématiques en trois dimensions de l’écoulement souterrain régional sont très utiles pour la gestion des ressources en eau souterraine, car ils permettent une évaluation des composantes des processus hydrologiques et fournissent une description physique de l’écoulement de l’eau dans un aquifère. Une telle modélisation a été entreprise sur une partie du bassin inférieur de la rivière Palar, dans le sud de l’Inde. La zone d’étude est caractérisée par des prélèvements importants d’eau souterraine pour l’agriculture, l’industrie et l’eau potable. Il existe trois grandes stations de pompage sur la rivière en plus d’un certain nombre de puits répartis dans cette région. Le modèle simule l’écoulement souterrain dans une région d’environ 392 km2 avec 70 rangs, 40 colonnes et deux couches. Le modèle a fonctionné en régime transitoire en utilisant une approximation aux différences finies d’une équation différentielle partielle en trois dimensions de l’écoulement souterrain dans cet aquifère pour la période 1991–2001. Le modèle a été calibré pour des conditions de régime permanent et transitoire. Les charges hydrauliques calculées étaient en bon accord avec celles observées. Sur la base des résultats du modèle, il est apparu que le système aquifère est stable pour ce taux de pompage, excepté en quelques sites le long de la côte où l’eau marine a pénétré 50–100 m dans les terres. Le modèle transitoire a tourné jusqu’en 2010 afin de prévoir l’écoulement souterrain dynamique pour différents scénarios de pompage excessif et de recharge réduite. Il se produit un abaissement de la piézométrie de la nappe de 0.6 à 0.8 m dans la partie orientale, alors que l’aquifère est soumis à un prélèvement supplémentaire de 8,000 m3/jour à l’une des stations principales de pompage. Même avec le niveau actuel de pompage, la piézométrie de la nappe descendrait sous le niveau de la mer au cours des saisons sèches. Le modèle prédit le fonctionnement du système aquifère sous différentes conditions de stress hydrologique.

## Resumen

Los modelos tridimensionales de flujo de aguas subterráneas son útiles para gestionar los recursos hídricos subterráneos, ya que proporcionan una aproximación a los diversos procesos hidrológicos y una descripción cuantitativa del flujo de agua en el acuífero. Se ha desarrollado un estudio de modelación de este tipo en una parte de la cuenca baja del río Palar, en el Sur de la India. Esta zona se caracteriza por las intensas extracciones de aguas subterráneas para usos agrícolas, industriales y domésticos. Hay tres estaciones de bombeo principales en el río, además de numerosos pozos distribuidos por la zona. El modelo simula el flujo de las aguas subterráneas en una superficie de 392 km2 por medio de 70 filas, 40 columnas y 2 capas. El modelo ha sido empleado en condiciones transitorias, por medio de la aproximación en diferencias finitas de las ecuaciones diferenciales parciales en tres dimensiones del flujo en el acuífero durante el período 1991–2001. Se ha calibrado el modelo en condiciones permanentes y transitorias. El ajuste entre los niveles calculados y medidos es razonable. A partir de los resultados de la modelación, se ha obtenido que el sistema acuífero es estable con la tasa de bombeo utilizada, exceptuando unos pocos emplazamientos a lo largo de la costa, donde se ha dado lugar a fenómenos de intrusión marina en una distancia de 50–100 m. El modelo transitorio ha sido ejecutado hasta el año 2010 para predecir el flujo dinámico bajo diversos escenarios de sobreexplotación y de reducción de la recarga. Se produce una disminución en los niveles piezométricos de 0.6 a 0.8 m en la zona oriental, donde el sistema acuífero está sometido a una extracción adicional de 2 millones de galones por día en la estación principal de bombeo. Incluso con las extracciones actuales, los niveles piezométricos se sitúan bajo el nivel del mar durante las épocas secas. El modelo predice el comportamiento de este sistema acuífero bajo varias condiciones de presión hidrológica.

## Notes

### Acknowledgement

Groundwater-level data provided by the Public Works Department, Tamil Nadu is acknowledged. The authors thank Dr. N. Rajeshwara Rao, Lecturer, Dept. of Applied Geology, Madras University for his help in correcting this manuscript. The authors wish to thank two anonymous reviewers for their comments.

## References

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## Authors and Affiliations

1. 1.Department of GeologyAnna UniversityChennaiIndia