Estimation of soil hydraulic properties and their uncertainty: comparison between laboratory and field experiment

Often the soil hydraulic parameters are obtained by the inversion of measured data (e.g. soil moisture, pressure head, and cumulative infiltration, etc.). However, the inverse problem in unsaturated zone is ill-posed due to various reasons, and hence the parameters become non-unique. The presence of multiple soil layers brings the additional complexities in the inverse modelling. The generalized likelihood uncertainty estimate (GLUE) is a useful approach to estimate the parameters and their uncertainty when dealing with soil moisture dynamics which is a highly non-linear problem. Because the estimated parameters depend on the modelling scale, inverse modelling carried out on laboratory data and field data may provide independent estimates. The objective of this paper is to compare the parameters and their uncertainty estimated through experiments in the laboratory and in the field and to assess which of the soil hydraulic parameters are independent of the experiment. The first two layers in the field site are characterized by Loamy sand and Loamy. The mean soil moisture and pressure head at three depths are measured with an interval of half hour for a period of 1 week using the evaporation method for the laboratory experiment, whereas soil moisture at three different depths (60, 110, and 200 cm) is measured with an interval of 1 h for 2 years for the field experiment. A one-dimensional soil moisture model on the basis of the finite difference method was used. The calibration and validation are approximately for 1 year each. The model performance was found to be good with root mean square error (RMSE) varying from 2 to 4 cm(3) cm(-3). It is found from the two experiments that mean and uncertainty in the saturated soil moisture (theta(s)) and shape parameter (n) of van Genuchten equations are similar for both the soil types. Copyright (C) 2010 John Wiley & Sons, Ltd.

Numerically stable Monte Carlo-burnup-thermal hydraulic coupling schemes

This paper presents stochastic implicit coupling method intended for use in Monte-Carlo (MC) based reactor analysis systems that include burnup and thermal hydraulic (TH) feedbacks. Both feedbacks are essential for accurate modeling of advanced reactor designs and analyses of associated fuel cycles. In particular, we investigate the effect of different burnup-TH coupling schemes on the numerical stability and accuracy of coupled MC calculations. First, we present the beginning of time step method which is the most commonly used. The accuracy of this method depends on the time step length and it is only conditionally stable. This work demonstrates that even for relatively short time steps, this method can be numerically unstable. Namely, the spatial distribution of neutronic and thermal hydraulic parameters, such as nuclide densities and temperatures, exhibit oscillatory behavior. To address the numerical stability issue, new implicit stochastic methods are proposed. The methods solve the depletion and TH problems simultaneously and use under-relaxation to speed up convergence. These methods are numerically stable and accurate even for relatively large time steps and require less computation time than the existing methods. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of vegetation on the local climate and hydrology in the tropics: sensitivity to soil parameters

Land use change with accompanying major modifications to the vegetation cover is widespread in the tropics, due to increasing demands for agricultural land, and may have significant impacts on the climate. This study investigates (1) the influence of vegetation on the local climate in the tropics; (2) how that influence varies from region to region; and (3) how the sensitivity of the local climate to vegetation, and hence land use change, depends on the hydraulic characteristics of the soil. A series of idealised experiments with the Hadley Centre atmospheric model, HadAM3, are described in which the influence of vegetation in the tropics is assessed by comparing the results of integrations with and without tropical vegetation. The sensitivity of the results to the soil characteristics is then explored by repeating the experiments with a differing, but equally valid, description of soil hydraulic parameters. The results have shown that vegetation has a significant moderating effect on the climate throughout the tropics by cooling the surface through enhanced latent heat fluxes. The influence of vegetation is, however, seasonally dependent, with much greater impacts during the dry season when the availability of surface moisture is limited. Furthermore, there are significant regional variations both in terms of the magnitude of the cooling and in the response of the precipitation. Not all regions show a feedback of vegetation on the local precipitation; this result has been related both to vegetation type and to the prevailing meteorological conditions. An important finding has been the sensitivity of the results to the specification of the soil hydraulic parameters. The introduction of more freely draining soils has changed the soil-moisture contents of the control, vegetated system and has reduced, significantly, the climate sensitivity to vegetation and by implication, land use change. Changes to the soil parameters have also had an impact on the soil hydrology and its interaction with vegetation, by altering the partitioning between fast and slow runoff processes. These results raise important questions about the representation of highly heterogeneous soil characteristics in climate models, as well as the potential influence of land use change on the soil characteristics themselves.

Modeling plant transpiration under limited soil water: comparison of different plant and soil hydraulic parameterizations and preliminary implications for their use in land surface models

Accurate estimates of how soil water stress affects plant transpiration are crucial for reliable land surface model (LSM) predictions. Current LSMs generally use a water stress factor, β, dependent on soil moisture content, θ, that ranges linearly between β = 1 for unstressed vegetation and β = 0 when wilting point is reached. This paper explores the feasibility of replacing the current approach with equations that use soil water potential as their independent variable, or with a set of equations that involve hydraulic and chemical signaling, thereby ensuring feedbacks between the entire soil–root–xylem–leaf system. A comparison with the original linear θ-based water stress parameterization, and with its improved curvi-linear version, was conducted. Assessment of model suitability was focused on their ability to simulate the correct (as derived from experimental data) curve shape of relative transpiration versus fraction of transpirable soil water. We used model sensitivity analyses under progressive soil drying conditions, employing two commonly used approaches to calculate water retention and hydraulic conductivity curves. Furthermore, for each of these hydraulic parameterizations we used two different parameter sets, for 3 soil texture types; a total of 12 soil hydraulic permutations. Results showed that the resulting transpiration reduction functions (TRFs) varied considerably among the models. The fact that soil hydraulic conductivity played a major role in the model that involved hydraulic and chemical signaling led to unrealistic values of β, and hence TRF, for many soil hydraulic parameter sets. However, this model is much better equipped to simulate the behavior of different plant species. Based on these findings, we only recommend implementation of this approach into LSMs if great care with choice of soil hydraulic parameters is taken

Interactions between roughness and topography in hydraulic models

Analysis of river flow using hydraulic modelling and its implications in derived environ-mental applications are inextricably connected with the way in which the river boundary shape is represented. This relationship is scale-dependent upon the modelling resolution which in turn determines the importance of a subscale performance of the model and the way subscale (surface and flow) processes are parameterised. Commonly, the subscale behaviour of the model relies upon a roughness parameterisation whose meaning depends on the dimensionality of the hydraulic model and the resolution of the topographic represen¬tation scale. This latter is, in turn, dependent on the resolution of the computational mesh as well as on the detail of measured topographic data. Flow results are affected by this interactions between scale and subscale parameterisation according to the dimensionality approach. The aim of this dissertation is the evaluation of these interactions upon hy¬draulic modelling results. Current high resolution topographic source availability induce this research which is tackled using a suitable roughness approach according to each di¬mensionality with the purpose of the interaction assessment. A 1D HEC-RAS model, a 2D raster-based diffusion-wave model with a scale-dependent distributed roughness parame-terisation and a 3D finite volume scheme with a porosity algorithm approach to incorporate complex topography have been used. Different topographic sources are assessed using a 1D scheme. LiDAR data are used to isolate the mesh resolution from the topographic content of the DEM effects upon 2D and 3D flow results. A distributed roughness parameterisation, using a roughness height approach dependent upon both mesh resolution and topographic content is developed and evaluated for the 2D scheme. Grain-size data and fractal methods are used for the reconstruction of topography with microscale information, required for some applications but not easily available. Sensitivity of hydraulic parameters to this topographic parameterisation is evaluated in a 3D scheme at different mesh resolu¬tions. Finally, the structural variability of simulated flow is analysed and related to scale interactions. Model simulations demonstrate (i) the importance of the topographic source in a 1D models; (ii) the mesh resolution approach is dominant in 2D and 3D simulations whereas in a 1D model the topographic source and even the roughness parameterisation impacts are more critical; (iii) the increment of the sensitivity to roughness parameterisa-tion in 1D and 2D schemes with detailed topographic sources and finer mesh resolutions; and (iv) the topographic content and microtopography impact throughout the vertical profile of computed 3D velocity in a depth-dependent way, whereas 2D results are not affected by topographic content variations. Finally, the spatial analysis shows that the mesh resolution controls high resolution model scale results, roughness parameterisation control 2D simulation results for a constant mesh resolution; and topographic content and micro-topography variations impacts upon the organisation of flow results depth-dependently in a 3D scheme. Resumen La topografía juega un papel fundamental en la distribución del agua y la energía en los paisajes naturales (Beven and Kirkby 1979; Wood et al. 1997). La simulación hidráulica combinada con métodos de medición del terreno por teledetección constituyen una poderosa herramienta de investigación en la comprensión del comportamiento de los flujos de agua debido a la variabilidad de la superficie sobre la que fluye. La representación e incorporación de la topografía en el esquema hidráulico tiene una importancia crucial en los resultados y determinan el desarrollo de sus aplicaciones al campo medioambiental. Cualquier simulación es una simplificación de un proceso del mundo real, y por tanto el grado de simplificación determinará el significado de los resultados simulados. Este razonamiento es particularmente difícil de trasladar a la simulación hidráulica donde aspectos de la escala tan diferentes como la escala de los procesos de flujo y de representación del contorno son considerados conjuntamente incluso en fases de parametrización (e.g. parametrización de la rugosidad). Por una parte, esto es debido a que las decisiones de escala vienen condicionadas entre ellas (e.g. la dimensionalidad del modelo condiciona la escala de representación del contorno) y por tanto interaccionan en sus resultados estrechamente. Y por otra parte, debido a los altos requerimientos numéricos y computacionales de una representación explícita de alta resolución de los procesos de flujo y discretización de la malla. Además, previo a la modelización hidráulica, la superficie del terreno sobre la que el agua fluye debe ser modelizada y por tanto presenta su propia escala de representación, que a su vez dependerá de la escala de los datos topográficos medidos con que se elabora el modelo. En última instancia, esta topografía es la que determina el comportamiento espacial del flujo. Por tanto, la escala de la topografía en sus fases de medición y modelización (resolución de los datos y representación topográfica) previas a su incorporación en el modelo hidráulico producirá a su vez un impacto que se acumulará al impacto global resultante debido a la escala computacional del modelo hidráulico y su dimensión. La comprensión de las interacciones entre las complejas geometrías del contorno y la estructura del flujo utilizando la modelización hidráulica depende de las escalas consideradas en la simplificación de los procesos hidráulicos y del terreno (dimensión del modelo, tamaño de escala computacional y escala de los datos topográficos). La naturaleza de la aplicación del modelo hidráulico (e.g. habitat físico, análisis de riesgo de inundaciones, transporte de sedimentos) determina en primer lugar la escala del estudio y por tanto el detalle de los procesos a simular en el modelo (i.e. la dimensionalidad) y, en consecuencia, la escala computacional a la que se realizarán los cálculos (i.e. resolución computacional). Esta última a su vez determina, el detalle geográfico con que deberá representarse el contorno acorde con la resolución de la malla computacional. La parametrización persigue incorporar en el modelo hidráulico la cuantificación de los procesos y condiciones físicas del sistema natural y por tanto debe incluir no solo aquellos procesos que tienen lugar a la escala de modelización, sino también aquellos que tienen lugar a un nivel subescalar y que deben ser definidos mediante relaciones de escalado con las variables modeladas explícitamente. Dicha parametrización se implementa en la práctica mediante la provisión de datos al modelo, por tanto la escala de los datos geográficos utilizados para parametrizar el modelo no sólo influirá en los resultados, sino también determinará la importancia del comportamiento subescalar del modelo y el modo en que estos procesos deban ser parametrizados (e.g. la variabilidad natural del terreno dentro de la celda de discretización o el flujo en las direcciones laterales y verticales en un modelo unidimensional). En esta tesis, se han utilizado el modelo unidimensional HEC-RAS, (HEC 1998b), un modelo ráster bidimensional de propagación de onda, (Yu 2005) y un esquema tridimensional de volúmenes finitos con un algoritmo de porosidad para incorporar la topografía, (Lane et al. 2004; Hardy et al. 2005). La geometría del contorno viene definida por la escala de representación topográfica (resolución de malla y contenido topográfico), la cual a su vez depende de la escala de la fuente cartográfica. Todos estos factores de escala interaccionan en la respuesta del modelo hidráulico a la topografía. En los últimos años, métodos como el análisis fractal y las técnicas geoestadísticas utilizadas para representar y analizar elementos geográficos (e.g. en la caracterización de superficies (Herzfeld and Overbeck 1999; Butler et al. 2001)), están promoviendo nuevos enfoques en la cuantificación de los efectos de escala (Lam et al. 2004; Atkinson and Tate 2000; Lam et al. 2006) por medio del análisis de la estructura espacial de la variable (e.g. Bishop et al. 2006; Ju et al. 2005; Myint et al. 2004; Weng 2002; Bian and Xie 2004; Southworth et al. 2006; Pozd-nyakova et al. 2005; Kyriakidis and Goodchild 2006). Estos métodos cuantifican tanto el rango de valores de la variable presentes a diferentes escalas como la homogeneidad o heterogeneidad de la variable espacialmente distribuida (Lam et al. 2004). En esta tesis, estas técnicas se han utilizado para analizar el impacto de la topografía sobre la estructura de los resultados hidráulicos simulados. Los datos de teledetección de alta resolución y técnicas GIS también están siendo utilizados para la mejor compresión de los efectos de escala en modelos medioambientales (Marceau 1999; Skidmore 2002; Goodchild 2003) y se utilizan en esta tesis. Esta tesis como corpus de investigación aborda las interacciones de esas escalas en la modelización hidráulica desde un punto de vista global e interrelacionado. Sin embargo, la estructura y el foco principal de los experimentos están relacionados con las nociones espaciales de la escala de representación en relación con una visión global de las interacciones entre escalas. En teoría, la representación topográfica debe caracterizar la superficie sobre la que corre el agua a una adecuada (conforme a la finalidad y dimensión del modelo) escala de discretización, de modo que refleje los procesos de interés. La parametrización de la rugosidad debe de reflejar los efectos de la variabilidad de la superficie a escalas de más detalle que aquellas representadas explícitamente en la malla topográfica (i.e. escala de discretización). Claramente, ambos conceptos están físicamente relacionados por un

Estimating specific yield and transmissivity with magnetic resonance sounding in an unconfined sandstone aquifer (Niger)

The unconfined aquifer of the Continental Terminal in Niger was investigated by magnetic resonance sounding (MRS) and by 14 pumping tests in order to improve calibration of MRS outputs at field scale. The reliability of the standard relationship used for estimating aquifer transmissivity by MRS was checked; it was found that the parametric factor can be estimated with an uncertainty a parts per thousand currency sign150% by a single point of calibration. The MRS water content (theta (MRS)) was shown to be positively correlated with the specific yield (Sy), and theta (MRS) always displayed higher values than Sy. A conceptual model was subsequently developed, based on estimated changes of the total porosity, Sy, and the specific retention Sr as a function of the median grain size. The resulting relationship between theta (MRS) and Sy showed a reasonably good fit with the experimental dataset, considering the inherent heterogeneity of the aquifer matrix (residual error is similar to 60%). Interpreted in terms of aquifer parameters, MRS data suggest a log-normal distribution of the permeability and a one-sided Gaussian distribution of Sy. These results demonstrate the efficiency of the MRS method for fast and low-cost prospection of hydraulic parameters for large unconfined aquifers.

Geometry of sand-bed channels with seepage

Literature suggests that apart from a significant percentage of water loss from seepage, downward seepage from the channel causes an increase in the mobility of channel bed materials and thus changes the channel stability. Consequently, regime conditions (which provide the relationship among hydraulic parameters) should also be revised by incorporating downward seepage as an additional parameter. In the present work, regime conditions for the prediction of channel geometry in alluvial channels affected by downward seepage have been formulated on the basis of experimental observations. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Improved modeling of groundwater recharge in agricultural watersheds using a combination of crop model and remote sensing

For improved water management and efficiency of use in agriculture, studies dealing with coupled crop-surface water-groundwater models are needed. Such integrated models of crop and hydrology can provide accurate quantification of spatio-temporal variations of water balance parameters such as soil moisture store, evapotranspiration and recharge in a catchment. Performance of a coupled crop-hydrology model would depend on the availability of a calibrated crop model for various irrigated/rainfed crops and also on an accurate knowledge of soil hydraulic parameters in the catchment at relevant scale. Moreover, such a coupled model should be designed so as to enable the use/assimilation of recent satellite remote sensing products (optical and microwave) in order to model the processes at catchment scales. In this study we present a framework to couple a crop model with a groundwater model for applications to irrigated groundwater agricultural systems. We discuss the calibration of the STICS crop model and present a methodology to estimate the soil hydraulic parameters by inversion of crop model using both ground and satellite based data. Using this methodology we demonstrate the feasibility of estimation of potential recharge due to spatially varying soil/crop matrix.

Comparison of square and hexagonal fuel lattices for high conversion PWRs

This paper reports on an investigation into fuel design choices of a pressurized water reactor operating in a self-sustainable Th- 233U fuel cycle. In order to evaluate feasibility of this concept, two types of fuel assembly lattices were considered: square and hexagonal. The hexagonal lattice may offer some advantages over the square one. For example, the fertile blanket fuel can be packed more tightly reducing the blanket volume fraction in the core and potentially allowing to achieve higher core average power density. The calculations were carried out with Monte-Carlo based BGCore code system and the results were compared to those obtained with Serpent Monte-Carlo code and deterministic transport code BOXER. One of the major design challenges associated with the SB concept is high power peaking due to the high concentration of fissile material in the seed region. The second objective of this work is to estimate the maximum achievable core power density by evaluation of limiting thermal hydraulic parameters. The analysis showed that both fuel assembly designs have a potential of achieving net breeding. Although hexagonal lattice was found to be somewhat more favorable because it allows achieving higher power density, while having breeding performance comparable to the square lattice case. © Carl Hanser Verlag München.

Modeling of Hillslope Runoff and Soil Erosion at Rainfall Events Using Cellular Automata Approach

National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China [40225004]; National Natural Science Foundation of China [40471048]

Hydraulics of stepped chutes: experimental-numerical-theoretical study

O estudo de escoamentos turbulentos em descarregadores em degraus tem sido um desafio para os investigadores. A macro-rugosidade do leito, a ondulação da superfície livre, a intermitência da localização da secção inicial de entrada de ar e o escoamento bi-fásico a jusante da secção inicial de entrada de ar fazem com que a caracterização do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus não seja simples. Actualmente, é possível combinar técnicas de medição fiáveis com simulações numéricas e análise teórica. Nesta dissertação, o estudo experimental baseia-se em resultados experimentais obtidos em duas instalações experimentais: a instalação A, do Laboratório Nacional de Engenharia Civil (LNEC), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:0.75H e a instalação B, do Instituto Superior Técnico (IST), dotada de um descarregador em degraus com declive de 1V:2H. Uma sonda de ar, um tubo de Pitot modificado e vários hidrómetros permitiram o estudo do escoamento deslizante sobre turbilhões mono- e bifásico ao longo do descarregador em degraus da instalação A. Na bacia de dissipação de energia, a observação visual do escoamento foi auxiliada pelas leituras efectuadas em tomadas de pressão localizadas na soleira da bacia e pelas leituras da altura do escoamento efectuadas em réguas graduadas localizadas nas paredes da bacia. Na instalação B foram utilizados um tubo de Pitot e vários hidrómetros para estudar a região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões no descarregador em degraus. O estudo numérico é baseado em simulações numéricas da região não arejada do escoamento deslizante sobre turbilhões sobre descarregadores em degraus com o código comercial de CFD FLOW-3D® de modo a reproduzir as condições ensaiadas experimentalmente. As simulações beneficiaram da técnica de blocos múltiplos (multi-block) num sistema de coordenadas cartesianas, da determinação da superfície livre pelo método TruVOF e da utilização de dois modelos de turbulência: os modelos k- e RNG k-. Por último, o estudo teórico consistiu em desenvolver um modelo simplificado 1D para determinar as características hidráulicas principais do trecho não arejado do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus. O modelo foi desenvolvido a partir das equações de Navier-Stokes, conjuntamente com resultados experimentais e numéricos. Os resultados apresentados nesta dissertação contribuem para o conhecimento do escoamento deslizante sobre turbilhões em descarregadores em degraus, nomeadamente na região não arejada, na secção inicial de entrada de ar e na região arejada. A hidráulica dos dissipadores de energia a jusante de descarregadores em degraus, em particular das bacias tipo III do USBR, é também objecto de estudo. Em relação à região não arejada do escoamento em descarregadores com declive acentuado, e com base em resultados experimentais e numéricos, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, da espessura da camada limite, da concentração média de ar, do coeficiente de energia cinética, da dissipação de energia, do factor de resistência e do coeficiente n da fórmula de Manning. São ainda propostas expressões adimensionais para a energia cinética turbulenta e sua dissipação. Para declives moderados, são propostas expressões para estimar o desenvolvimento da altura equivalente de água, do coeficiente de energia cinética e da energia específica residual. São ainda apresentados valores do expoente 1/N da expressão adimensional da distribuição de velocidades, quer para descarregadores com declive acentuado quer com declive moderado. Em conformidade com outros estudos centrados em escoamentos de parede e com derivações teóricas, para a região não arejada do escoamento em descarregadores em degraus de acentuado declive, observa-se que o factor de resistência depende da macro-rugosidade criada pelos degraus e da geometria da secção transversal e que o coeficiente n da fórmula de Manning aumenta com a rugosidade. A descrição estatística da turbulência do escoamento é igualmente explorada, contribuindo para o conhecimento da estrutura do escoamento. Observou-se que para números de Reynolds rugoso não superiores a 6.8x104 a energia cinética turbulência e a sua dissipação cumprem leis de semelhança. Estas expressões adimensionais estão de acordo com os resultados obtidos por outros autores para escoamentos completamente desenvolvidos em canais abertos e no escoamento em rios com leito de gravilha. Em acréscimo, a taxa de dissipação de energia, quer para descarregadores de declive acentuado quer de moderado declive, é baixa. Por último, observa-se que os valores da média temporal da concentração de ar entre 0 e 1 medidos na região não arejada do escoamento dizem respeito não só ao ar capturado entre ondas de água, na zona de ondulação da superfície livre, mas também ao ar emulsionado no escoamento, i.e., sob a forma de bolhas de ar, quando perto da secção média inicial de entrada de ar, devido à diferença entre localizações instantânea e média temporal. Foram revistas metodologias e fórmulas para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar e apresentadas expressões para estimar a concentração média de ar e a altura equivalente de água nessa secção. Relativamente à região de escoamento arejado em descarregadores em degraus com declive acentuado, os resultados experimentais apresentados nesta dissertação permitiram estimar a influência da definição da superfície livre nos parâmetros hidráulicos da região do escoamento arejado e estimar a máxima elevação do escoamento nesta região do escoamento. Com base nos resultados experimentais obtidos na bacia de dissipação de energia do tipo III do USBR localizada a jusante do descarregador em degraus da instalação A, observou-se que os perfis da altura piezométrica e da altura do escoamento tendem a seguir o perfil recomendado pelo USBR para bacias tipo III. A excepção ocorre à entrada da bacia, onde as alturas piezométricas apresentadas nesta dissertação excedem largamente as apresentadas pelo USBR. É ainda observado que, tal como entre as bacias tipo I e tipo III do USBR, o ressalto hidráulico estabiliza muito mais rapidamente numa bacia tipo III a jusante de um descarregador em degraus do que uma bacia tipo I a jusante do mesmo descarregador em degraus. Finalmente, observa-se que os blocos de amortecimento a colocar no descarregador não têm influência visível nos resultados da altura piezométrica nem da altura do escoamento ao longo da bacia. Relativamente às simulações numéricas do escoamento não arejado, a proximidade entre resultados experimentais e numéricos permite validar o modelo teórico e a integração numérica usados no FLOW-3D®. As simulações desenvolvidas também mostraram que o modelo de turbulência k- permite representar as características do escoamento não arejado em descarregadores em degraus, uma vez que não foram observadas diferenças significativas entre as simulações com este modelo e com o modelo RNG k-. Finalmente, observou-se que o modelo de entrada de ar usado no FLOW-3D® é válido para estimar a localização da secção inicial de entrada de ar. Por último, a proximidade entre os resultados obtidos da aplicação do modelo teórico desenvolvido no âmbito desta dissertação e os resultados experimentais indica que as hipóteses e simplificações consideradas no desenvolvimento do modelo são adequadas.

Joint inversion of geophysical and hydrologic data during water infiltration

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Geofísica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Hydrogeomechanics for rock engineering: coupling subsurface hydrogeomechanical assessement and hydrogeotechnical mapping on fracturated rock masses

The present work aims to achieve and further develop a hydrogeomechanical approach in Caldas da Cavaca hydromineral system rock mass (Aguiar da Beira, NW Portugal), and contribute to a better understanding of the hydrogeological conceptual site model. A collection of several data, namely geology, hydrogeology, rock and soil geotechnics, borehole hydraulics and hydrogeomechanics, was retrieved from three rock slopes (Lagoa, Amores and Cancela). To accomplish a comprehensive analysis and rock engineering conceptualisation of the site, a multi‐technical approach were used, such as, field and laboratory techniques, hydrogeotechnical mapping, hydrogeomechanical zoning and hydrogeomechanical scheme classifications and indexes. In addition, a hydrogeomechanical data analysis and assessment, such as Hydro‐Potential (HP)‐Value technique, JW Joint Water Reduction index, Hydraulic Classification (HC) System were applied on rock slopes. The hydrogeomechanical zone HGMZ 1 of Lagoa slope achieved higher hydraulic conductivities with poorer rock mass quality results, followed by the hydrogeomechanical zone HGMZ 2 of Lagoa slope, with poor to fair rock mass quality and lower hydraulic parameters. In addition, Amores slope had a fair to good rock mass quality and the lowest hydraulic conductivity. The hydrogeomechanical zone HGMZ 3 of Lagoa slope, and the hydrogeomechanical zones HGMZ 1 and HGMZ 2 of Cancela slope had a fair to poor rock mass quality but were completely dry. Geographical Information Systems (GIS) mapping technologies was used in overall hydrogeological and hydrogeomechanical data integration in order to improve the hydrogeological conceptual site model.

Response of the benthic macroinvertebrate community to a point source in La Tordera stream (Catalonia, NE Spain)

Vam monitoritzar paràmetres físics i químics, macroinvertebrats bentònics, clorofil·la a, productors primaris i matèria orgànica durant un any (2001-2002) per examinar els efectes d'una font puntual sobre la composició taxonòmica, la estructura de la comunitat, l'organització funcional, la utilització de l'habitat i la estoquiometria al riu la Tordera (Catalunya). Aigües avall de la font puntual, concentració de nutrients, cabal i conductivitat eren majors que al tram d'aigües amunt, mentre que oxigen dissolt era menor. La densitat de macroinvertebrats era més elevada al tram d'aigües avall però la biomassa era similar als dos trams. La riquesa taxonòmica al tram de dalt era un 20% més alt que al tram de baix. Els anàlisis d'ordenació separen clarament els dos trams en el primer eix, mentre que els dos trams presentaven una pauta temporal similar en el segon eix. La similaritat entre els dos trams en composició taxonòmica, densitats i biomasses després de les crescudes d'abril i maig de 2002, indiquen que les pertorbacions del cabal poden actuar com a un mecanisme de reinici de la comunitat bentònica i jugar un paper important per a la restauració d'ecosistemes fluvials. Els dos trams presentaven una biomassa de perifiton, plantes vasculars, CPOM i FPOM similars, mentre que clorofil·la a, algues filamentoses, molses i SPOM eren majors al tram d'aigües avall. La densitat relativa de trituradors era menor sota la font puntual mentre que col·lectors i filtradors van ser afavorits. La biomassa relativa de trituradors també era menor sota la font puntual, però la biomassa de col·lectors i depredadors va augmentar. Les relacions entre densitat de grups tròfics i els seus recursos eren rarament significatives. La relació s'explicava millor amb la biomassa de macroinvertebrats. Els dos trams compartien la mateixa relació per raspadors, col·lectors i filtradors però no per trituradors i depredadors. La densitat i la biomassa de macroinvertebrats es trobaven positivament correlacionades amb la quantitat de recursos tròfics i la complexitat d'habitat, mentre que la riquesa taxonòmica es trobava negativament relacionada amb paràmetres hidràulics. La influència dels substrats inorgànics prenia menor rellevància per a la distribució dels macroinvertebrats. Els anàlisis d'ordenació mostren com les variables del microhabitat de major rellevància eren CPOM, clorofil·la a, algues filamentoses i velocitat. La cobertura de sorra només era significativa per al tram d'aigües amunt i les molses, al d'aigües avall. El número de correlacions significatives entre macroinvertebrats i les variables del microhabitat era més elevat per al tram de dalt que per al de baix, bàsicament per diferències en composició taxonòmica. La biomassa de macroinvertebrats va aportar una informació semblant a la obtinguda per la densitat. Perifiton i molses tenien uns continguts de nutrients similars en els dos trams. Els %C i %N d'algues filamentoses també eren similars en els dos trams però el %P sota la font puntual era el doble que al tram de dalt. Les relacions estoquiomètriques en CPOM, FPOM i SPOM eren considerablement menors sota la font puntual. Els continguts elementals i relacions van ser molt variables entre taxons de macroinvertebrats però no van resultar significativament diferents entre els dos trams. Dípters, tricòpters i efemeròpters presentaven una estoquiometria similar, mentre que el C i el N eren inferiors en moluscs i el P en coleòpters. Els depredadors presentaven un contingut en C i N més elevat que la resta de grups tròfics, mentre que el P era major en els filtradors. Els desequilibris elementals entre consumidors i recursos eren menors en el tram d'aigües avall. A la tardor i l'hivern la major font de nutrients va ser la BOM mentre que a la primavera i a l'estiu va ser el perifiton.