Groundwater capture processes under a seasonal variation in natural recharge and discharge

Abstract

 "Capture" is the increase in recharge and the decrease in discharge that occurs when pumping is imposed on an aquifer system that was in a previous state of approximate dynamic equilibrium. Regional groundwater models are usually used to calculate capture in a two-step procedure. A steady-state solution provides an initial-head configuration, a set of flows through the boundaries for the modeled region, and the initial basis for the capture calculation. The transient solutions provide the total change in flows through the boundaries. A difference between the transient and steady-state solutions renders the capture calculation. When seasonality is a modeling issue, the use of a single initial hydraulic head and a single set of boundary flows leads to miscalculations of capture. Instead, an initial condition for each season should be used. This approach may be accomplished by determining steady oscillatory solutions, which vary through the seasons but repeat from year to year. A regional groundwater model previously developed for a portion of the San Pedro River basin, Arizona, USA, is modified to illustrate the effect that different initial conditions have on transient solutions and on capture calculations.

Résumé

Les "prélèvements" sont constitués par l'augmentation de la recharge et par la diminution de l'écoulement qui se produit lorsqu'un pompage est imposéà un système aquifère qui était auparavant dans un état proche de l'équilibre dynamique. Les modèles régionaux de nappe sont en général utilisés pour calculer les prélèvements dans une procédure à deux étapes. Une solution en régime permanent donne la configuration piézométrique initiale, un jeu de conditions aux limites pour la région modélisée et les données de base pour le calcul des prélèvements. Les solutions transitoires donnent les modifications globales des conditions aux limites. Lorsque des variations saisonnières sont produites en sortie du modèle, le recours à une piézométrie initiale unique et à un seul jeu de données de conditions aux limites conduit à un mauvais calcul des prélèvements. Il faut alors utiliser une condition de recharge initiale pour chaque saison. Cette approche peut être réalisée en déterminant des solutions permanentes périodiques, variantes au cours des saisons, mais se répétant d'année en année. Un modèle de nappe régional, précédemment mis au point pour une partie du bassin de la rivière San Pedro (Arizona, États-Unis), a été modifié pour illustrer l'effet de conditions initiales différentes sur des solutions transitoires et sur le calcul des prélèvements.

Resumen

Se define como "captura" al aumento de recarga y descenso de descarga que tiene lugar cuando se impone un bombeo en un acuífero en estado de equilibrio dinámico. Se suelen utilizar modelos regionales de agua subterránea para calcular la captura en un procedimiento que consta de dos etapas. Una solución en régimen estacionario proporciona la distribución inicial de niveles piezométricos, los flujos a través de los contornos de la región modelada y el punto de partida para el cálculo de la captura. Las soluciones transitorias proporcionan los cambios en los flujos a través de los contornos. La diferencia entre las soluciones estacionaria y transitoria da el valor de la captura. Cuando los cambios estacionales son importantes, la utilización de un único estado inicial de niveles y de flujos en los contornos da lugar a errores en el cálculo de la captura. En este caso debe usarse una condición inicial para cada una de las estaciones. Esto se puede conseguir obteniendo soluciones periódicas estacionarias, que varíen a lo largo de las estaciones, pero que se repitan año a año. Un modelo regional desarrollado previamente para el estudio de una parte de la cuenca del Río San Pedro, en Arizona (EE.UU.) se modificó para ilustrar el efecto que las distintas condiciones iniciales tienen en el cálculo de la captura.