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Modeling of complex multi-aquifer systems for groundwater resources evaluation—Swidnica study case (Poland)

Abstract

An example of groundwater resources evaluation methodology by numerical modeling in the complex, unconsolidated, multi-aquifer system of the Swidnica area (~627 km2) is presented. In this study Groundwater Modeling System (GMS) was used to develop a conceptual model on the basis of data from several hundred boreholes and to calibrate a numerical, multi-aquifer model. A steady state calibration was performed using historical natural groundwater table (quasi-natural simulation) data and abundant pumping test transmissivity data. The calibrated recharge was first spatially distributed based on surface lithology and then adjusted until a good match between calculated and measured heads was obtained. The quasi-natural simulation budget input of ~165,000 m3/day consisted of 40.5% of lateral inflow from the SW fault model boundary, 34.5% of average net recharge from precipitation, 13% of infiltration from the Mietkowskie Lake and 12% of river infiltration. The budget output (the same as input) consisted of ~ 88% of river drainage and ~ 12% of lateral outflow. The final, abstraction-influenced simulation representing the current stationary condition was used to verify the model by cross referencing present well drawdowns with well abstractions and by comparison of the groundwater discharge to the rivers with the field baseflow measurements. In this simulation, the total well abstraction of ~53,000 m3/d resulted in 9% increase in overall water balance up to ~180,000 m3/day, 38% increased river infiltration, 24% reduced river drainage, 17% reduced lateral outflow and ~3 times increased downward leakage to the deepest, productive aquifer.

The Swidnica study case shows an example, which analyzes an impact of well abstractions on the decline of groundwater table and river discharges, concluding that reserves of renewable water resources are still available. It shows also, that by setting up a conceptual model within the numerical model environment and by applying a quasi-3D solution, complex multi-aquifer systems can be well and efficiently modeled.

Resumé

Un exemple méthodologique d’évaluation des ressources en eau souterraine par modélisation numérique d’un système aquifère multiple complexe et non-consolidé de la région de Swidnica (~627 km2) est présenté. Le système de modélisation de l’eau souterraine GMS (Groundwater Modeling System) est utilisé afin de développer un modèle conceptuel basé sur les données provenant de plusieurs centaines de puits, ainsi que pour caler le modèle numérique d’aquifère multiple. Une calibration en régime permanent a été effectuée en utilisant les données historiques du niveau naturel de la nappe phréatique (simulation quasi-naturelle) et les données de transmissivité provenant de nombreux essais de pompage. La recharge calibrée a été obtenue en utilisant d’abord des valeurs spatiallement distribuées en fonction de la lithologie de surface qui ont par la suite été ajustées jusqu’à ce qu’une bonne correspondance entre les charges mesurées et simulées soit obtenue. Le bilan des intrants d’eau pour la simulation quasi-naturelle de ~165,000 m3/j est réparti comme suit: 40.5% provenant d’entrée d’eau latérale le long de la limite sud-ouest du modèle qui représente une faille, 34.5% de recharge moyenne nette provenant des précipitations, 13% d’infiltration provenant du lac Mietkowskie et 12% d’infiltration provenant de rivières. Le bilan des extrants d’eau qui forme le même volume que les intrants est réparti entre ~88% de drainage par les rivières et ~12% d’écoulement latéral. La simulation finale influencée par le captage qui représente les conditions actuelles a été utilisée afin de vérifier le modèle en comparant le rabattement actuel avec le captage des puits et en comparant l’écoulement d’eau vers les rivières avec les valeurs d’écoulement de base des rivières mesurées sur le terrain. Dans cette simulation, le total d’eau pompé (~53,000 m3/j) produit une augmentation de 9% dans le bilan d’eau total qui devient ~180,000 m3/j, une augmentation de 38% d’infiltration par les rivières, une réduction de 24% du drainage par les rivières, une réduction de 17% de l’écoulement de sortie latéral et une augmentation d’environ 3 fois du drainage vers le bas vers l’aquifère le plus productif. L’étude de cas de Swidnica montre un exemple qui analyse l’impact d’installation de puits de captage sur le déclin de la nappe phréatique et sur la décharge dans les rivières, en concluant par contre, que les réserves en eau renouvelable sont toujours disponibles. Cet exemple montre également qu’en construisant un modèle conceptuel avec un environnement de modèle numérique et qu’en appliquant une solution quasi 3D, les systèmes multiaquifères complexes peuvent être bien et efficacement modélisés.

Resumen

Se presenta un ejemplo de metodología de evaluación de recursos de aguas aubterráneas por medio de modelación numérica en el sistema multi-acuífero, complejo, no consolidado del área de Swidnica (~627 km2). Em este estudio se utilizó un sistema de modelamiento de aguas subterráneas (GMS) para desarrollar un modelo conceptual sobre la base de datos de varios cientos de pozos y para calibrar un modelo multi-acuífero numérico. Se llevó a cabo calibración de un estado constante mediante el uso de datos históricos del manto de aguas subterráneas (simulación casi natural) y de abundantes datos de transmisividad de las pruebas de bombeo. En primer lugar se distribuyó la recarga calibrada en base a la litología de superficie y luego se ajustó hasta obtener una buena correlación entre las cimas calculadas y las medidas. El casi natural presupuesto en la simulación de ~165,000 m3/día consistió de 40.5 % de influjo lateral del límite del modelo de la falla SO, 34.5% de recarga neta promedio de precipitación, 13 % de infiltración del lago Mietkowskie y 12% de infiltración de los ríos. El presupuesto de los productos (output) (igual que el input)consistió de ~ 88 % de drenaje de los ríos y ~ 12 % de flujo lateral. La simulación final, influida por la abstracción, que representa la condición estacionaria actual se utilizó para verificar el modelo mediante la verificación cruzada de los conos de abstracción actuales con abstracciones de los pozos y mediante la comparación de la descarga de aguas subterráneas a los ríos con las medidas de flujo de base de terreno. En esta simulación, la abstracción total de los pozos de ~53,000 m3/d dio como resultado un incremento de 9 % en el balance de gua total de hasta ~180,000 m3/día, un incremento de 38 % infiltración de los ríos, una reducción de 24 % del drenaje a los ríos, una reducción de 17 % del eflujo lateral y un incremento de ~3 veces de filtración hacia abajo al acuífero má profundo productivo. El caso de estudio Swidnica muestra un ejemplo que analiza el impacto de las instalaciones de abstraccion de pozos sobre el decrecimiento del mato de aguas subterráneas y descargas de ríos. Sin embargo, la conclusión es que las reservas de recursos aguas renovables están disponibles todavía. También muestra que los sistemas multi-acuíferos complejos se puede modelar eficientemente y satisfactoriamente al establecer un modelo conceptual dentro del ambiente de un modelo numérico y mediante la aplicación de soluciones casi 3D.

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Acknowledgements

The work reported in this paper was performed under the Marie Curie Individual Fellowship of the Fifth Framework Programme (FP5) funded by the European Commission, project number 498127. The authors thank also Prof. Allard Meijerink, Dr Jean Roy, Dr Teodora Szocs, Dr Perry Olcott and one anonymous reviewer for their constructive comments, which undoubtedly contributed to the improvement of this manuscript.

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Gurwin, J., Lubczynski, M. Modeling of complex multi-aquifer systems for groundwater resources evaluation—Swidnica study case (Poland). Hydrogeol J 13, 627–639 (2005). https://doi.org/10.1007/s10040-004-0382-9

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Keywords

  • Groundwater
  • Numerical modeling
  • Multi-aquifer system
  • Groundwater resources evaluation