Recharge and groundwater models: an overview

Abstract.

Recharge is a fundamental component of groundwater systems, and in groundwater-modeling exercises recharge is either measured and specified or estimated during model calibration. The most appropriate way to represent recharge in a groundwater model depends upon both physical factors and study objectives. Where the water table is close to the land surface, as in humid climates or regions with low topographic relief, a constant-head boundary condition is used. Conversely, where the water table is relatively deep, as in drier climates or regions with high relief, a specified-flux boundary condition is used. In most modeling applications, mixed-type conditions are more effective, or a combination of the different types can be used. The relative distribution of recharge can be estimated from water-level data only, but flux observations must be incorporated in order to estimate rates of recharge. Flux measurements are based on either Darcian velocities (e.g., stream baseflow) or seepage velocities (e.g., groundwater age). In order to estimate the effective porosity independently, both types of flux measurements must be available. Recharge is often estimated more efficiently when automated inverse techniques are used. Other important applications are the delineation of areas contributing recharge to wells and the estimation of paleorecharge rates using carbon-14.

Résumé.

La recharge est une composante fondamentale des systèmes aquifères, et dans les exercices de modélisation de nappes la recharge est mesurée et déterminée ou estimée lors de la calibration du modèle. La façon la plus appropriée de représenter la recharge dans un modèle de nappe dépend à la fois de facteurs physiques et des objectifs de l'étude. Lorsque la nappe est proche de la surface, comme c'est le cas sous climats humides ou dans les régions à topographie basse, une condition de limite à charge constante est utilisée. Inversement, lorsque la nappe est relativement profonde, comme c'est le cas sous climats plus secs ou dans les régions à fort relief, une condition de limite à flux spécifique est utilisée. Dans la plupart des applications de modélisation, des conditions de type mixte sont plus efficaces, ou bien une combinaison de différents types peut être utilisée. La distribution relative de la recharge peut être estimée uniquement à partir des données de niveau piézométrique, mais des observations sur les flux doivent être introduites pour l'estimation des valeurs de la recharge. Les mesures de flux sont basées soit sur des vitesses de Darcy, par exemple le débit de base d'un cours d'eau, soit sur des vitesses d'écoulement souterrain, par exemple des âges d'eau souterraine. Dans le but d'estimer de manière indépendante la porosité efficace, les deux types de mesures doivent être pris en compte. La recharge est souvent estimée de façon plus efficace lorsque l'on recourt à des techniques d'inversion automatisée. D'autres applications importantes sont la délimitation des zones de recharge de puits et l'estimation des valeurs de paléorecharge par le carbone-14.

Resumen.

La recarga es una componente fundamental de los sistemas acuífferos. En los trabajos de modelación de aguas subterráneas, la recarga es medida y especificada o estimada durante la fase de calibración. La forma más adecuada de representarla en un modelo depende tanto de los factores físicos como de los objetivos del estudio. Cuando el nivel freático está cercano a la superficie del terreno, como es el caso de climas húmedos o de regiones con un relieve topográfico suave, se aplica una condición de contorno de nivel prescrito. En cambio, se especifica una condición de caudal prescrito cuando la profundidad del nivel freático es grande, como sucede en climas más secos o en regiones con relieves más accidentados. En la mayoría de los casos, la condición de contorno de tipo mixta es la más eficaz, o bien puede utilizarse una combinación de los diversos tipos disponibles. La distribución relativa de la recarga puede ser estimada a partir de datos de nivel, pero se debe incorporar datos de flujo para poder estimar los valores de recarga. Las medidas de flujo se basan bien en velocidades de Darcy (por ejemplo, flujo de base en arroyos), bien en velocidades de filtración (por ejemplo, edad de las aguas subterráneas). De cara a la estimación independiente de la porosidad efectiva, se debe disponer de ambos tipos de medidas. A menudo, se estima la recarga de forma más eficaz cuando se aplican técnicas de calibración automática. Otras aplicaciones importantes son la delimitación de las áreas de recarga que son captadas por pozos y la estimación de tasas de paleo-recarga por medio del carbono-14.