Spatial distribution of the water exchange through river cross-section : measurements and the numerical model

• Autorzy: Grodzka-Łukaszewska Maria , Pawlak Zofia , Sinicyn Grzegorz

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2021.136450

Warianty tytułu

PL

Przestrzenny rozkład wymiany wody w przekroju rzeki : pomiary i model numeryczny

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aspects of surface stability and groundwater exchange recognized by many researchers due to the intensification of agriculture and industry (manifested in, e.g., regulation and dredging of riverbed sediments of rivers) are now widely discussed on the international forum of water policy and management. It is essential to assess the spatial variability of water exchange through the river length and cross sections for the preparation of data and calculation of the groundwater flow model. This article presents research which describes the spatial distribution of the surface water-groundwater interaction within the river cross-section. Two measurement series were carried out to describe its variability. Additionally, a groundwater flow model was developed to simulate and represent the variable nature of water exchange in the hyporheic zone in the river’s cross-section. The model was successfully verified by means of measurements of water flux in the hyporheic zone. The precise spatial description of this variability is the first step to determine the possibility of introducing this variable in an accurate manner, within the limits of measurement uncertainties or simulation assumptions, in the construction of mathematical models of groundwater flow.

PL

Problem opisu interakcji wód powierzchniowych i podziemnych jest podejmowany przez wielu badaczy, między innymi ze względu na intensyfikację rolnictwa i przemysłu przejawiające się m.in. regulacją i pogłębianiem osadów rzecznych rzek. Problemy te są obecnie szeroko dyskutowane na międzynarodowym forum polityki i gospodarki wodnej. Do przygotowania danych i obliczenia modelu przepływu wód podziemnych niezbędna jest ocena zmienności wymiany wody na długości rzeki i jej przekrojach. W artykule przedstawiono badania opisujące przestrzenną zmienność interakcji wód powierzchniowych i podziemnych w przekroju rzeki. Aby opisać tą zmienność, przeprowadzono dwie kampanie pomiarowe. Dodatkowo opracowano model przepływu wód podziemnych w celu przedstawienia zmiennego charakteru wymiany wody w strefie hyporeicznej w przekroju rzeki. Model został pomyślnie zweryfikowany za pomocą pomiarów przepływu wody w strefie hyporeicznej. Dokładny przestrzenny opis zmienności przestrzennej intensywności wymiany wody pomiędzy rzeką a warstwą wodonośną jest pierwszym krokiem do określenia możliwości dokładnego wprowadzenia tej zmiennej do budowy modeli matematycznych przepływu wód podziemnych.

Słowa kluczowe

EN

numerical modelling; hyporheic zone; hydraulic properties; gradient and flux measurement; groundwater and surface-water relations

PL

modelowanie numeryczne; strefa hyporeiczna; właściwości hydrauliczne; pomiar gradientu i strumienia; relacje wody gruntowe i powierzchniowe

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 47, no. 1
• Strony: 69--79
• Opis fizyczny: Bibliogr. 37 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Grodzka-Łukaszewska Maria

• Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, Warsaw University of Technology, Poland

autor

Pawlak Zofia

• Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, Warsaw University of Technology, Poland

autor

Sinicyn Grzegorz

• Faculty of Building Services, Hydro and Environmental Engineering, Warsaw University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Anibas, C., Verbeiren, B., Buis, K., Chormański, J., De Doncker, L., Okruszko, T., Meire, P. & Batelaan, O. (2012). A hierarchical approach on groundwater-surface water interaction in wetlands along the upper Biebrza River, Poland, Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, pp. 2329-2346, https://doi.org/10.5194/hess-16-2329-2012.
• 2. Baraniecka, M.D. (1976). Description of the detailed geological map of Poland 1:50 000 Sheet Otwock. (in Polish)
• 3. Boano, F., Camporeale, C., Revelli, R. & Ridolfi, L. (2006). Sinuosity-driven hyporheic exchange in meandering rivers, Geophys. Res. Lett., 33, https://doi.org/10.1029/2006GL027630.
• 4. Boano, F., Harvey, J.W., Marion, A., Packman, A.I., Revelli, R., Ridolfi, L. & Wörman, A. (2014). Hypohreic flow and transport processes: Mechanisms, models, and biogeochemical implications, Rev. Geophys., 52, pp. 603-679, https://doi.org/10.1002/2012RG000417.
• 5. Brunetti, E., Jones, J.P., Petitta, M. & Rudolph, D.L. (2013). Assessing the impact of large-scale dewatering on fault-controlled aquifer systems: a case study in the Acque Albule basin (Tivoli, central Italy), Hydrogeol. J., 21, pp. 401-423, https://doi.org/10.1007/s10040-012-0918-3.
• 6. Brunke, M. & Gonser, T. (1997). The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater. Freshw. Biol., 37, pp. 1-33, https://doi.org/10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x.
• 7. Duda, R., Witczak, S. & Żurek, A. (2011). Map of Polish groundwater sensitivity to pollution 1: 500,000 - Methodology and textual explanations. Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska, ISBN: 13 978-83-88927-24-9. (in Polish)
• 8. Elango, L., Brindha, K., Kalpana, L. & Sunny, F. (2012). Groundwater flow and radionuclide decay-chain transport modelling around a proposed uranium tailings pond in India, Hydrogeol. J., 20, pp. 797-812, https://doi.org/10.1007/s10040-012-0834-6.
• 9. Grodzka-Łukaszewska, M., Nawalany, M. & Zijl, W. (2017). A Velocity-Oriented Approach for Modflow, Transp. Porous Media, 119, pp. 373-390, https://doi.org/10.1007/s11242-017-0886-0.
• 10. Grygoruk, M. & Acreman, M. (2015). Restoration and management of riparian and riverine ecosystems: Ecohydrological experiences, tools and perspectives, Ecohydrol. Hydrobiol., 15, pp. 109-110, https://doi.org/10.1016/j.ecohyd.2015.07.002.
• 11. Harvey, J. & Gooseff, M. (2015). River corridor science: Hydrologic exchange and ecological consequences from bedforms to basins, Water Resour. Res., 51, pp. 6893-6922, https://doi.org/10.1002/2015WR017617.
• 12. Hendriks, D.M.D., Okruszko, T., Acreman, M., Grygoruk, M., Duel, H., Buijse, T., Schutten, J., Mirosław-Świątek, D., Henriksen, H.J., Sanches-Navarro, R., Broers, H.P., Lewandowski, J., Old, G., Whiteman, M., Johns, T., Kaandorp, V., Baglioni, M., Holgersson, B. & Kowalczyk, A. (2015). Bringing groundwater to the surface; Groundwater-river interactions as driver for river ecology, D77 Policy Discuss. Pap. no 2.
• 13. Hidayat, H.N. & Permana, M.G. (2018). Geothermal reservoir simulation of hot sedimentary aquifer system using FEFLOW®, IOP IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 103, 12002, https://doi.org/10.1088/1755-1315/103/1/012002.
• 14. IMGW-PIB 2016 Report on the implementation of flood hazard maps and flood risk maps, appendix 1. (in Polish)
• 15. Iqbal, Z., MacLean, R.T., Taylor, B.D., Hecker, F.J. & Bennett, D.R. (2002). Seepage losses from irrigation canals in southern Alberta, Can. Biosyst. Eng./Le Genie des Biosyst. au Canada, 44, pp. 21-27.
• 16. Israelsen, O.W. & Reeve, R.C. (1944). Bulletin No. 313 - Canal Lining Experiments in the Delta Area, Utah Canal Lining Experiments - the Delta Area, Utah. UAES Bull 52.
• 17. Janik, B., Kowalik, A. & Marciniak, M. (1989). Infiltrometric measurements as an estimation base of the quota of river water in the feeding of the drainage intake Reda-Pieleszewo, Przegląd geologiczny, 37, pp. 511-516. (in Polish)
• 18. Jekatierynczuk-Rudczyk, E. (2007). The hyporheic zone, its functioning and meaning, Kosmos. 56, pp. 181-196. (in Polish)
• 19. Kasperek, R., Mokwa1, M. & Wwiatkowski, M. (2012). Modelling of pollution transport with sediment on the example of the Widawa river, Archives of Environmental Protection, 39, 2, pp. 29-43
• 20. Lee, D.R. (1977). A device for measuring seepage flux in lakes and estuaries1, Limnol. Oceanogr., 22, pp. 140-147, https://doi.org/10.4319/lo.1977.22.1.0140.
• 21. Magliozzi, C., Grabowski, R.C., Packman, A.I. & Krause, S. (2018) Toward a conceptual framework of hyporheic exchange across spatial scales, Hydrol. Earth Syst. Sci., 22, pp. 6163-6185, https://doi.org/10.5194/hess-22-6163-2018.
• 22. Marciniak, M. & Chudziak, Ł. (2015). A new method of measuring the hydraulic conductivity of the bottom sediment, Przegląd geologiczny, 63, pp. 919-925. (in Polish)
• 23. Marciniak, M., Szczucińska, A. & Kaczmarek, M. (2017). Variability of the hydraulic conductivity in the hyporheic zone in the light of laboratory research), Przegląd geologiczny, 65, pp. 1115-1120. (in Polish)
• 24. McDonald, M.G. & Harbaugh, A.W. (1984). A modular three-dimensional finite-difference ground-water flow model. U.S. Geological Surv.
• 25. Nawalany, M. (1993). Mathematical Modeling of River-Aquifer Interactions, Report SR 349. HR Wallingford.
• 26. Pandian, R.S., Nair, I.S. & Lakshmanan, E. (2016). Finite element modelling of a heavily exploited coastal aquifer for assessing the response of groundwater level to the changes in pumping and rainfall variation due to climate change, Hydrol Res., 47, pp. 42-60, https://doi.org/10.2166/nh.2015.211.
• 27. Peralta-Maraver, I., Reiss, J. & Robertson, A.L. (2018). Interplay of hydrology, community ecology and pollutant attenuation in the hyporheic zone, Sci. Total Environ., 610-611, pp. 267-275, https://doi.org/10.1016/J.SCITOTENV.2017.08.036.
• 28. Pietrzak, K., Przybylski, B., & Repliński, M. (2018). Environmental impact assessment of the Environmental Protection Program for the Latowicz municipality until 2021. (in Polish)
• 29. Revelli, R., Boano, F., Camporeale, C. & Ridolfi, L. (2008). Intra-meander hyporheic flow in alluvial rivers, Water Resour. Res., 44, https://doi.org/10.1029/2008WR007081.
• 30. Robinson, A.R., & Rohwer, C. (1959). Measuring seepage from irrigation channels. USDA Tech. Bull. 1203.
• 31. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Morskiej i Żeglugi Śródlądowej z dnia 11 października 2019 r. w sprawie klasyfikacji stanu ekologicznego, potencjału ekologicznego i stanu chemicznego oraz sposobu klasyfikacji stanu jednolitych części wód powierzchniowych, a także środowiskowych norm jakości dla substancji priorytetowych (Regulation of the Minister of Maritime Economy and Inland Navigation of 11 October 2019 on the classification of ecological status, ecological potential and chemical status and on the classification of surface water bodies and environmental quality standards for priority substances). (in Polish)
• 32. Schmadel, N.M., Ward, A.S. & Wondzell, S.M. (2017). Hydrologic controls on hyporheic exchange in a headwatermountain stream, Water Resour. Res., 53, pp. 6260-6278, https://doi.org/10.1002/2017WR020576.
• 33. Siergieiev, D., Lundberg, A. & Widerlund, A. (2014). Hyporheic water exchange in a large hydropower-regulated boreal river - directions and rates, Hydrol. Res., 45, pp. 334-348, https://doi.org/10.2166/nh.2013.011.
• 34. Ward, A.S. (2016). The evolution and state of interdisciplinary hyporheic research, WIREs Water, 3, pp. 83-103, https://doi.org/10.1002/wat2.1120.
• 35. Worstell, R.V. & Carpenter, C.D. (1969). Improved Seepage Meter Operation for Locating Areas of High Water Loss in Canals and Ponds. 58th Annu Oregon Reclam Congr.
• 36. Zieliński, P. & Jekatierynczuk-Rudczyk, E. (2010). Dissolved organic matter transformation in the hyporheic zone of a small lowland river, Oceanol. Hydrobiol. Stud., 39, pp. 97-103, https://doi.org/10.2478/v10009-010-0021-9.
• 37. Zijl, W. & Nawalany, M. (1993) Natural groundwater flow. Lewis Publishers.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).