To investigate the flow characteristics by the water stage variation between stream-aquifer, the new solution of nonlinear Boussinesq equation was derived and extended using the Boltzmann transformation. The soundness of the analytic solution obtained from this study was examined by the comparison with the linearized analytic solution and the numerical solution by finite difference method. And the movement, velocity, flowrate and volume of flow caused by the stage variation of stream and the existence of regional gradient were estimated. This new analytic solution can express the groundwater movement between stream-aquifer. So, it might be helpful to manage water environment.
Visual MODFLOW was used for quantifying stream-aquifer interactions caused by seasonal groundwater pumping. A hypothetical conceptual model was assumed to represent a stream-aquifer system commonly found in Korea. The model considered a two-layered aquifer with the upper alluvium and the lower bedrock and a stream showing seasonal water level fluctuations. Our results show that seasonal variation of the stream depletion rate (SDR) as well as the groundwater depletion depends on the stream depletion factor (SDF), which is determined by aquifer parameters and the distance from the pumping well to the stream. For pumping wells with large SDF, groundwater was considerably depleted for a long time of years and the streamflow decreased throughout the whole year. The impacts of return flow were also examined by recalculating SDR with an assumed ratio of immediate irrigation return flow to the stream. Return flow over 50% of pumping rate could increase the streamflow during the period of seasonal pumping. The model also showed that SDR was affected by both the conductance between the aquifer and the stream bed and screen depths of the pumping well. Our results can be used for preliminary assessment of water budget analysis aimed to plan an integrated management of water resources in riparian areas threatened by heavy pumping.
Lee, Jeongwoo;Chung, Il Moon;Kim, Nam Won;Hong, Sung Hoon
Journal of Korea Water Resources Association
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v.49
no.11
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pp.923-930
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2016
This study was to evaluate the stream depletion from groundwater pumping in shallow aquifer using the Hunt's analytical solution (2009) which considers a two-layer leaky aquifer-stream system. From the total 2,187 cases of simulations with combinations of various aquifer and stream properties, the streamflow depletion rates divided by the groundwater pumping rate showed the low values when the stream depletion factor (SDF) is higher than 1,000-10,000, and was more sensitive to the aquitard hydraulic conductivity than the streambed hydraulic conductivity. The comparison of the Hunt's solution (2009) with the Hunt's solution (1999) of a single layer aquifer indicated that the maximum difference between the dimensionless stream depletions calculated by using both solutions is above 0.3, and the stream depletion is significantly affected by the hydraulic properties of the $2^{nd}$ layer as the SDF of the first layer increases. The Hunt's solution (2009) was applied to the real shallow groundwater well that is located in Chunju-Si, and the results revealed that the groundwater pumping has significant effects on streamflow in a short period of time, showing that the dimensionless stream depletion exceeds 0.8 within a few days. It was also found that the shallow groundwater pumping effects on stream depletion are highly dependent on the stream-well distance for the locations with high hydraulic diffusivity of $1^{st}$ layer and low vertical leakance between $1^{st}$ and $2^{nd}$ layers.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.40
no.6
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pp.555-561
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2020
In this study, the applicability of Hunt's analytical solution for a two-layered leaky aquifer system, which was developed to estimate stream depletion due to the groundwater pumping of the upper shallow aquifer, was evaluated. The 5-year averaged stream depletions were estimated using Hunt's analytical solution for various combinations of hydraulic characteristic values such as transmissivity, storage coefficient of the two aquifers, interlayer leakage coefficient, stream-well distance, hydraulic conductivity of the streambed, and stream width. Through comparison with the numerical solution accurately simulated with a MODFLOW groundwater flow model, the analytical solution derived by regarding the stream width as a point was evaluated. It was found that the error in the stream depletion calculated by the analytical solution can be reduced to less than 0.05 when the stream-well distance is greater than the stream width or when the stream depletion factor (SDF) is more than about 3,000 days. In addition, when the streambed hydraulic conductivity is less than 1 m/d, the hydraulic diffusion coefficient of the lower aquifer layer is less than 100 ㎡/d, the hydraulic diffusion coefficient ratio of the upper and lower aquifer layers is 5 or more, and the leakage coefficient between the layers is less than 0.0004 m/d, the overall analytical solutions were overestimated compared with the numerical solutions.
The water-table fluctuation (WTF) method has been often used for estimating groundwater recharge by analysis of waterlevel measurements in observation wells. An important assumption inherent in the method is that the water level rise is solely caused by precipitation recharge. For the observation wells located near a stream, however, the water-level can be highly affected by the stream level fluctuations as well as precipitation recharge. Therefore, in applying the WTF method, there should be consideration regarding the effect of stream-aquifer interactions. Analysis of water-level hydrographs from the National Groundwater Monitoring Wells of Korea showed that they could be classified into three different types depending on their responses to either precipitation recharge or stream level fluctuations. A simple groundwater flow model was used to analyze the errors of the WTF method, which were associated with stream-aquifer interactions. Not surprisingly, the model showed that the WTF method could greatly overestimate recharge, when it was used for the observation wells of which the water-level was affected by streams. Therefore, in Korea, where most groundwater hydrographs are acquired from wells nearby a stream, more caution is demanded in applying the WTF method.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.37
no.6
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pp.1001-1008
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2017
This study was to evaluate the stream depletion rate from groundwater pumping with varying stream-well distance, aquifer transmissivity, storage coefficient, leakage coefficient, streambed hydraulic conductance using the Zlotnik and Tartakovsky analytical solution which considers a two-layer leaky aquifer-stream-well system. For the hydraulic conditions applied in this study, the streambed hydraulic conductance and the aquitard leakage coefficient were assessed to have a dominant influence on the stream depletion rate. In order to evaluate the applicability of Zlotnik and Tartakovsky analytical solution ignoring the change in the drawdown in the lower aquifer and applying the fixed head boundary condition, the solution was compared with Hunt analytical solution derived from the more practical conditions simultaneously taking into account the drawdown changes in the upper and lower aquifers. As a result, the Zlotnik and Tartakovsky analytical solution is suitable for predicting short-term effects of less than one year in the pumping period, and when the stream depletion factor (SDF) is greater than 2,500 days, or when the product of the leakage coefficient and the stream-well distance is less than 10 cm/s.
The containment retardation capacities of four different aquifers were evaluated in a preliminary study for development of bank filtration in the Young San river area. $NO_3-N$, $NO_2-N$, $NH_4^+-N$, Fe, Mn, phenol, and chloride were selected as the target contaminants and a nonreactive tracer, respectively. Batch isotherm tests were conducted to measure the partition coefficients of the target contaminants. The mass transport parameters of nonreactive tracer were estimated from column tests. From the results of bath isotherm tests, it was shown that lower stream aquifer materials have greater partition coefficients of $NO_3-N$, $NH_4^+-N$, Mn, and phenol than the upper stream aquifer materials; however, there was no significant position-dependent trend for Fe. All aquifer materials tested have the same range of partition coefficients for $NO_2-N$. Column tests showed that the molecular diffusion of Cl- was much less than the mechanical dispersion; and there was no significant difference between the estimated dispersivities of tested aquifer materials. Consequently, it seems that the difference in the containment retardation capacities between four aquifers tested in this study would primarily result not from hydrodynamic dispersion but from partitioning.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.5
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pp.769-777
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2016
The objective of this study was to evaluate the stream depletion from groundwater pumping in deep aquifer using the Ward and Lough's analytical solution (2011) which considers a two-layer leaky aquifer system. The calculated results for each pumping from the 110 wells beside streams showed a wide range of non-dimensional stream depletion, that is the streamflow depletion rate divided by the groundwater pumping rate, from lower than 0.1 to more than 0.9 on average for 5 years depending on the specific properties of well location. From the comparison with Hunt's solution (1999) of a single layer aquifer, the Ward and Lough's solution showed about 50% lower than the Hunt's solution due to the difference of hydraulic properties between the first and second layers as well as the lagged effect of vertical leakance. It was also found that the groundwater pumping has a minor effect on the stream depletion if the stream depletion factor (SDF) of the 1st layer is higher than about 1,000 or the SDF of the 2nd layer is higher than about 100, or the vertical leakance is smaller than $10^{-5}s^{-1}$. Furthermore, in the present study, the variations of the stream depletion were assessed according to the magnitude of unmeasured hydraulic properties such as transmissivity and storage coefficient of the 1st layer, vertical hydraulic conductivity of the 2nd layer, the streambed hydraulic conductance.
To prevent the drying-out of streams and to make effective use of stream water and groundwater, it is necessary to evaluate the impact of groundwater pumping on nearby streams. To this end, stream depletion due to groundwater pumping should be investigated in terms of various hydraulic characteristics of the aquifer and stream. This study used the Baalousha analytical solution, which accounts for stream-stage variation over time, to analyze stream depletion due to groundwater pumping for cases where the stream level decreases exponentially and recovers after the decrease. For conditions such as an aquifer transmissivity of 10~100 ㎡ d-1, storage coefficient 0.05~0.3, streambed hydraulic conductance 0.1~1.0 m d-1, stream-well distance 100~500 m, and stage recession coefficient 0.1~1.0 d-1, the contribution of stream water (the dimensionless ratio of stream water reduction rate to groundwater pumping rate) was analyzed in cases where stream level change was considered. Considering the effect of stream-stage recession, the contribution of stream water is greatly reduced and is less affected by the stream-depletion factor, which is a function of the stream-to-well distance and hydraulic diffusivity. However, there is no significant difference in stream depletion under constant- and variable-stage recovery after recession. These results indicate that stream level control can distribute the relative impacts on stream water and aquifer storage during groundwater pumping
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2007.05a
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pp.253-257
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2007
Channel-aquifer interaction is one of the key hydrological processes that determine water flows in the stream/river channel. Field measurements of channel-aquifer interaction, however, is very difficult and costly, particularly when one intends to understand its variations across a catchment for a long period. Hydrological simulations using a catchment model are a relatively easier and cheaper alternative provided the model structure is appropriate for describing channel-aquifer interaction. In this study, a catchment model called CAMEL (Chemicals from Agricultural Management and Erosion Losses) is used for estimating channel-aquifer interaction over time and space. CAMEL is a distributed catchment model to simulate transformation and transport processes of sediment and pollutants as well as water flows at the catchment scale. In the model, a catchment is represented using a network of square columns each of which is comprised of various storages of water. CAMEL explicitly simulates both surface and subsurface processes including channel-aquifer interaction. This paper presents an application study results of CAMEL for the Tarland Burn Catchment, a small (catchment area $52\;km^2$) rural catchment in Scotland, UK, demonstrating some of the channel-aquifer interaction dynamics across the catchment during a 2-year period.
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