Document
Understanding saline water dynamics in coastal aquifers using sand tank experiment and numerical modeling.
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2020
Language
English
English abstract
Seawater intrusion (SWI) is one of the real threats to groundwater resources around the
globe, specifically in highly populated coastal areas as groundwater is heavily exploited.
Gaining a better understanding of SWI in coastal aquifers is very important for the
efficient and sustainable management of fresh groundwater resources. Saline water
dynamic is affected by many hydrological and hydrogeological parameters that include:
hydraulic conductivity of the aquifer, recharge rate, abstraction rate, aquifer geometry,
geological settings, and density of seawater among others. Many studies have been
conducted to address different aspects of SWI using both physical experiments and
mathematical (analytical and numerical) modeling. This includes various initial and
boundary conditions, and other hydrological settings under different scales. There is no
study investigated the dynamics of saline water under managed aquifer recharge (MAR)
practice using a sand tank experiment similar to the one presented in this thesis. The
main objective of this thesis is to investigate the dynamics of saline water in a coastal
unconfined aquifer under MAR practices. The effectiveness of MAR in mitigating SWI
was explored under different hydrological conditions that include various values of
hydraulic conductivities, hydraulic gradients, injection rates, location of injection wells
from the coastline, and depth of injection (well screen). This was achieved using both
sand tank experiment and numerical modeling. For the numerical modeling part, a
density-dependent flow and transport code, SEAWAT, was selected.
Investigating the effect of hydraulic conductivity and salinity concentration using sand
tank experiments is challenging and requires tremendous efforts. Hence, numerical
modeling is an excellent tool to study seawater dynamics under various conditions
because it is cheaper and less time demanding compared with the sand tank physical
experiment. A conceptual model that mimics the designed sand tank was developed and
calibrated. Sensitivity and grid resolution analyses were performed to ensure the
reliability of the developed model when simulating observed sand tank runs and other
different scenarios. Results of the sand tank experiments showed that injecting water
close to the toe of the saline water interface was more effective to reduce the SWI by
32% to 61.4% compared with the situation when MAR was practiced away from it
depending on the injected volume (0.5 L to 1.4 L). Injection of water within the
dispersion zone (behind the interface) retarded the re-intrusion of saline water as it built
a hydrological barrier against intrusion. Injection of water near the sea boundary resulted
in large immediate loss of the injected water through the coastal boundary. The results
revealed that injection at shallow depth was more effective in reducing the salinity in the
intruded zone of the aquifer compared with the scenario when the injection was
performed deeper (near the bottom of the aquifer). For example, injecting 1.06 L of
freshwater near the toe of saline water interface at shallow depth (22.5 cm) reduced
more salinized volume by 25.5% compared to when the same injection was at deeper
depth (42 cm). With injecting more volume, the saline water interface receded further
seaward direction (increasing the injected volume by 32%, the retreated distance
increased by 43%). However, it is very important to monitor the height of the water table
mound under injection as a high water mound may result in a steeper hydraulic gradient.
As a consequence, the rapid discharge of the injected water occurred through the
constant head boundaries (in this case acted as a discharge boundary) and hence less
vii
impact in controlling SWI. In a real situation, abstraction wells can be the discharge (or
drain) facility and so injection and abstraction rates must be balanced to increase the
effectiveness of injection in mitigation of SWI problem. As that, optimization of MAR
(in terms of the location of injection, rate and volume of injection, depth of injection,
duration of injection, along with maintaining water balance for the aquifer) is necessary
to avoid ineffectiveness or failure of MAR to mitigate SWI problem.
The calibrated numerical simulation (Root-Mean-Square Error (RMSE) is 0.3) showed
that the efficiency of MAR is affected by aquifer's conductivity. Our numerical
simulation showed that applying MAR to highly conductive porous media drain out
quickly the injected water resulting in a smaller water table mound and hence small
impact in controlling the SWI. Moreover, the rate of SWI was high under higher
hydraulic conductivity. Therefore, the permeability and the injection rate and volume
need to be well studied for any site. The results also revealed that the denser is the
intruding saline water, the more challenging is the effect of MAR in controlling the
SWI. When the density of the intruding saline water increases by 30%, more of the
injected volume required (increased by 100%, from 1.06 L to 2.12 L) in order for the
saline water interface to recede seaward direction by more than 20%. In general, the
SWI intensity and its response to any mitigation solution is a site-specific and depends
on a combination of factors. The MAR system to control SWI must be well planned and
assessed before implementation to ensure its effectiveness and success. The study
illustrated the importance of conducting laboratory scale experiments that indeed helps a
lot to gain a better understanding and enriching our knowledge about real-life challenges
like the SWI. Sand tank experiments allow change, mimic, and manipulate the different
possible conditions/variables that you may face when dealing with reality.
Misunderstanding or oversimplification of reality would result in the failure of efforts to
solve real problems in fields. Definitely, the field condition is more complicated than the
one simulated in our sand tank experiments, but obtaining insights about the effect of
each factor and parameter is important for comprehensive understanding and hence more
successful implementations in reality. The work presented in this thesis to be advanced
further to study the seawater dynamics in different layered heterogeneities and
hydrological conditions (e.g., abstraction rate, and tidal fluctuation at the sea boundary)
under MAR practices.
Member of
Resource URL
Arabic abstract
يعد تسرب مياه البحر أحد التهديدات الحقيقية لموارد المياه الجوفية في جميع أنحاء العالم ، خاصة في المناطق الساحلية ذات الكثافة السكانية العالية حيث يتم استغلال المياه الجوفية بشكل كبير. إن اكتساب فهم أفضل لتداخل مياه البحر في طبقات المياه الجوفية الساحلية مهم جدًا للإدارة الفعالة والمستدامة لموارد المياه الجوفية العذبة للمناطق الساحلية. تتأثر ديناميكية المياه المالحة المتداخلة بالعديد من العوامل الهيدرولوجية والهيدروجيولوجية للخزان الجوفي وتشمل: النفاذية الهيدروليكية ، ومعدلات إعادة التغذية الجوفية ومعدلات السحب من الخزان الجوفي، والخصائص الجيولوجية للطبقات الارضية ، وكثافة مياه البحر ، إلخ. تم إجراء العديد من الدراسات لمعالجة جوانب مختلفة من تسرب مياه البحر باستخدام كل من التجارب الفيزيائية والنمذجة الرياضية (التحليلية والعددية)، ويشمل ذلك مختلف الاوضاع الهيدرولوجية وممارسات استغلال الخزانات ، والخصائص الهيدرولوجية وعوامل أحرى . وتتميز هذة الدراسةبأنها تبحث في ديناميكيات المياه المالحة في ظل ممارسة التغذية الجوفية الاصطناعية باستخدام تجربة خزان الرمل والنمذجة العددية. الهدف الرئيسي لهذة الراسة هو فهم ديناميكية المياه المالحة في طبقة المياه الجوفية الساحلية الغير محصورة في ظل ممارسة التغذية الجوفية المدارة عن طريق الحقن. يتم استكشاف فعالية الحقن في تخفيف تسرب مياه البحر أو المياه المالحة باستخدام كلا النهجين (تجربة خزان الرمل المخبرية والنمذجة العددية) في ظل ظروف هيدرولوجية مختلفة تتضمن قيم مختلفة لكلا من: النفاذية الهيدروليكية ، معدل الانحدار الهيدروليكي ، معدلات الحقن ، موقع آبار الحقن من الساحل ، وعمق الحقن (عمق البئر). تم اختيار برنامج (SEAWAT) للنمذجة العددية لأنه يحتسب الفرق في كثافة المياه المالحة فيعمليات المحاكلة لحركة المياة والاملاح والتي تجسد الواقع بشكل أكبر مقارنه مع تلك التي تتجاهل تأثبر كثافة المياة على حركة المياة وانتشارها.ة.
إن دراسة تأثير النفاذية الهيدروليكية وتركيز الملوحة باستخدام تجارب خزان الرمل يتطلب جهودا كبيرة وكذلكالكثير من التحديات. . وبناء على ذلك تعد النمذجة العددية منهج بحثي بديل يساعد على دراسة ديناميكيات مياه البحر لسيناريوهات عديدة ومختلفة بجهد وكلفة أقل. تم تطوير ومعايرة النموذج العددي لكي يحاكي خزان الرمل المستخدم في التجارب المعملية. لضمان موثوقية النموذج المطور عند محاكاة نتائج تجارب خزان الرمل والسيناريوهات الأخرى.
يُظهر تحليل نتائج تجارب خزانات الرمل أن حقن الماء بالقرب من مقدمة اللسان الملحي يكون أكثر فاعلية لتقليل تسرب مياه البحر بنسبة تترواح من 32% الى 61.4% مقارنة بالحالة عندما يتم ممارسة الحقن بعيدًا عنه اعتمادًا على حجم المياة التي تم حقنها. كذلك أدى حقن المياه داخل منطقة التداخل (خلف مقدمة اللسان الملحي) إلى إعاقة إعادة اقتحام المياه المالحة لأنها تبني حاجزًا هيدرولوجيًا يصد تقدم المياة. أدى حقن الماء بالقرب من حدود البحر إلى خسارة فورية كبيرة للمياه المحقونة عبر الحدود الساحلية. أظهرت النتائج أن الحقن في العمق الضحل يكون أكثر فعالية في تنظيف المنطقة من المياه المالحة مقارنة عندما يتم الحقن بشكل أعمق (بالقرب من قاع الخزان الجوفي). على سبيل المثال ، حقن 1.06 لتر من المياه العذبة بالقرب من مقدمة اللسان الملحي على عمق ضحل (22.5 سم) ينظف مساحة أكبر من المياه المالحة بنسبة 25.5? مقارنة بالحقن نفسه عندما يكون على عمق أكبر (42 سم). مع ضخ المزيد من الحجم تتراجع مقدمة اللسان الملحي أكثر نحو البحر (زيادة الحجم المحقون من المياه بنسبة 32 ? ، زادت المسافة المتراجعة بنسبة 43 ?). ومع ذلك ، من المهم جدًا مراقبة ارتفاع مناسيب المياة المياه الجوفية تحت ممارسات الحقن ،وذلك لأن مستوى المياه العالي سيؤدي إلى ميل هيدروليكي أكثر حدة. ونتيجة لذلك يحدث تصريف سريع للمياه المحقونة وبالتالي تأثير أقل في السيطرة على تسرب مياه البحر. في الوضع الحقيقي تمثل آبار الضخ هذا التحدي بتصريف المياةالمحقونة، لذا يجب موازنة معدلات الحقن والضخ معا لمعالجة مشكلة تسرب مياه البحر. لذلك ، من الضروري تحسين تغذية الخزان الجوفي بالادارة الجيدة (من حيث مكان الحقن ، ومعدل وحجم الحقن ، وعمق الحقن ، ومدة الحقن ، إلى جانب الحفاظ على توازن الماء في الخزان الجوفي) ،وذلك لتجنب عدم فعالية التغذية الجوفية في الحد من مشكلة تسرب مياه البحر.
تظهر نتائج المحاكاة العددية أن كفاءة التغذية الجوفية المدارة تتأثر بمعدل النفاذية للخزان الجوفي. تعمل الوسائط المسامية عالية النفاذية على تصريف المياه المحقونة بسرعة مما يؤدي إلى ارتفاعا منسوب المياه بشكل أقل وبالتالي تأثير صغير في السيطرة على تسرب مياه البحر. علاوة على ذلك ، تتسرب مياه البحر بوتيرة أسرع عندما تكون النفاذية الهيدرولوجية عالية وهذا أمر مهم ، لأن الحقن غير مستمر (فقط خلال فترة معينة). لذلك يجب دراسة النفاذية ومعدل الحقن والحجم جيدًا لأي موقع. وكشفت النتائج أيضا أن كثافة المياه المالحة ، هي الأكثر صعوبة لتأثير التغذية الجوفية المدارة في السيطرة على تسرب مياه البحر. عندما تزداد كثافة المياه المالحة المتداخلة بنسبة 30? ، يلزم حقن حجم أكبر من المياه بحيث تتراجع مقدمةاللسان الملحي باتجاه البحر بأكثر من 25? عند زيادةالحقن بنسبة 100%. بشكل عام ، تعد كثافة مياه البحر المتسربة واستجابتها لأي حل لتخفيف هذه المشكلة تعتمد على خصائص الموقع وعلى مجموعة من العوامل الاخرىزيجب أن يتم التخطيط وتقييم نظام التغذية الاصطناعية لللخزان الجوفي للتحكم في تسرب مياه البحر جيدًا وتقييمه قبل التنفيذ لضمان فعاليته ونجاحه. أوضحت الدراسة أهمية إجراء التجارب المعملية الصغيرة التي تساعد بالفعل كثيرًا على اكتساب فهم أفضل وإثراء معرفتنا حول ديناميكية مياه البحر في الاحواض الجوفيةالساحلية. سيؤدي سوء الفهم أو التبسيط المفرط للواقع إلى فشل الجهود لحل المشاكل البيئية في أرض الواقع من المؤكد أن الوضع الميداني أكثر تعقيدًا من تلك التي تمت محاكاتها في تجارب خزان الرمل لدينا ، ولكن الحصول على رؤى حول تأثير كل عامل مهم للفهم الشامل لديناميكية مياه البحر في الاحواض الجوفية الساحلية ، وبالتالي تنفيذ أكثر نجاحًا في الواقع. سيتم تطوير التجارب مستقبلا للمزيد من الدراسة لديناميكيات مياه البحر في لتشمل الطبقات الجوفيةالغير متجانسة وظروف هيدرولوجية أخرى مثل معدل الضخ وتقلبات المد والجزر اثناء ممارسات الحقن الاصطناعيلة تغذية الخزان الجوفي
إن دراسة تأثير النفاذية الهيدروليكية وتركيز الملوحة باستخدام تجارب خزان الرمل يتطلب جهودا كبيرة وكذلكالكثير من التحديات. . وبناء على ذلك تعد النمذجة العددية منهج بحثي بديل يساعد على دراسة ديناميكيات مياه البحر لسيناريوهات عديدة ومختلفة بجهد وكلفة أقل. تم تطوير ومعايرة النموذج العددي لكي يحاكي خزان الرمل المستخدم في التجارب المعملية. لضمان موثوقية النموذج المطور عند محاكاة نتائج تجارب خزان الرمل والسيناريوهات الأخرى.
يُظهر تحليل نتائج تجارب خزانات الرمل أن حقن الماء بالقرب من مقدمة اللسان الملحي يكون أكثر فاعلية لتقليل تسرب مياه البحر بنسبة تترواح من 32% الى 61.4% مقارنة بالحالة عندما يتم ممارسة الحقن بعيدًا عنه اعتمادًا على حجم المياة التي تم حقنها. كذلك أدى حقن المياه داخل منطقة التداخل (خلف مقدمة اللسان الملحي) إلى إعاقة إعادة اقتحام المياه المالحة لأنها تبني حاجزًا هيدرولوجيًا يصد تقدم المياة. أدى حقن الماء بالقرب من حدود البحر إلى خسارة فورية كبيرة للمياه المحقونة عبر الحدود الساحلية. أظهرت النتائج أن الحقن في العمق الضحل يكون أكثر فعالية في تنظيف المنطقة من المياه المالحة مقارنة عندما يتم الحقن بشكل أعمق (بالقرب من قاع الخزان الجوفي). على سبيل المثال ، حقن 1.06 لتر من المياه العذبة بالقرب من مقدمة اللسان الملحي على عمق ضحل (22.5 سم) ينظف مساحة أكبر من المياه المالحة بنسبة 25.5? مقارنة بالحقن نفسه عندما يكون على عمق أكبر (42 سم). مع ضخ المزيد من الحجم تتراجع مقدمة اللسان الملحي أكثر نحو البحر (زيادة الحجم المحقون من المياه بنسبة 32 ? ، زادت المسافة المتراجعة بنسبة 43 ?). ومع ذلك ، من المهم جدًا مراقبة ارتفاع مناسيب المياة المياه الجوفية تحت ممارسات الحقن ،وذلك لأن مستوى المياه العالي سيؤدي إلى ميل هيدروليكي أكثر حدة. ونتيجة لذلك يحدث تصريف سريع للمياه المحقونة وبالتالي تأثير أقل في السيطرة على تسرب مياه البحر. في الوضع الحقيقي تمثل آبار الضخ هذا التحدي بتصريف المياةالمحقونة، لذا يجب موازنة معدلات الحقن والضخ معا لمعالجة مشكلة تسرب مياه البحر. لذلك ، من الضروري تحسين تغذية الخزان الجوفي بالادارة الجيدة (من حيث مكان الحقن ، ومعدل وحجم الحقن ، وعمق الحقن ، ومدة الحقن ، إلى جانب الحفاظ على توازن الماء في الخزان الجوفي) ،وذلك لتجنب عدم فعالية التغذية الجوفية في الحد من مشكلة تسرب مياه البحر.
تظهر نتائج المحاكاة العددية أن كفاءة التغذية الجوفية المدارة تتأثر بمعدل النفاذية للخزان الجوفي. تعمل الوسائط المسامية عالية النفاذية على تصريف المياه المحقونة بسرعة مما يؤدي إلى ارتفاعا منسوب المياه بشكل أقل وبالتالي تأثير صغير في السيطرة على تسرب مياه البحر. علاوة على ذلك ، تتسرب مياه البحر بوتيرة أسرع عندما تكون النفاذية الهيدرولوجية عالية وهذا أمر مهم ، لأن الحقن غير مستمر (فقط خلال فترة معينة). لذلك يجب دراسة النفاذية ومعدل الحقن والحجم جيدًا لأي موقع. وكشفت النتائج أيضا أن كثافة المياه المالحة ، هي الأكثر صعوبة لتأثير التغذية الجوفية المدارة في السيطرة على تسرب مياه البحر. عندما تزداد كثافة المياه المالحة المتداخلة بنسبة 30? ، يلزم حقن حجم أكبر من المياه بحيث تتراجع مقدمةاللسان الملحي باتجاه البحر بأكثر من 25? عند زيادةالحقن بنسبة 100%. بشكل عام ، تعد كثافة مياه البحر المتسربة واستجابتها لأي حل لتخفيف هذه المشكلة تعتمد على خصائص الموقع وعلى مجموعة من العوامل الاخرىزيجب أن يتم التخطيط وتقييم نظام التغذية الاصطناعية لللخزان الجوفي للتحكم في تسرب مياه البحر جيدًا وتقييمه قبل التنفيذ لضمان فعاليته ونجاحه. أوضحت الدراسة أهمية إجراء التجارب المعملية الصغيرة التي تساعد بالفعل كثيرًا على اكتساب فهم أفضل وإثراء معرفتنا حول ديناميكية مياه البحر في الاحواض الجوفيةالساحلية. سيؤدي سوء الفهم أو التبسيط المفرط للواقع إلى فشل الجهود لحل المشاكل البيئية في أرض الواقع من المؤكد أن الوضع الميداني أكثر تعقيدًا من تلك التي تمت محاكاتها في تجارب خزان الرمل لدينا ، ولكن الحصول على رؤى حول تأثير كل عامل مهم للفهم الشامل لديناميكية مياه البحر في الاحواض الجوفية الساحلية ، وبالتالي تنفيذ أكثر نجاحًا في الواقع. سيتم تطوير التجارب مستقبلا للمزيد من الدراسة لديناميكيات مياه البحر في لتشمل الطبقات الجوفيةالغير متجانسة وظروف هيدرولوجية أخرى مثل معدل الضخ وتقلبات المد والجزر اثناء ممارسات الحقن الاصطناعيلة تغذية الخزان الجوفي
Category
Theses and Dissertations