A modified approach for modelling river–aquifer interaction of gaining rivers in MODFLOW, including riverbed heterogeneity and river bank seepage

Abstract

There is a need for groundwater modelling approaches that can incorporate both the complexity of riverbeds and the influence of lateral flows through the river banks in the simulation of river–aquifer interaction. A simple and straight-forward approach is proposed for modelling river–aquifer interaction in gaining rivers based on existing building blocks available in MODFLOW. The river water itself is modelled as constant-head cells, while the riverbed is modelled as one or more separate layers. The Horizontal Flow Barrier (HFB) Package is used to simulate the effect of a river bank on lateral exchange fluxes between river and aquifer. This approach has several advantages over conventional MODFLOW streamflow packages: (1) riverbeds can be modelled as several layers with different hydraulic properties; (2) both vertical and horizontal flow through the riverbed can be modelled; and (3) lateral flow through the river banks can be simulated. The capabilities of the new approach are demonstrated in two applications based on a MODFLOW model of the Aa River, Belgium. Application I demonstrates that the approach can be used to model heterogeneous multi-layered riverbeds. Results show that neglecting this heterogeneity can result in an overestimation of river–aquifer exchange fluxes. Application II shows that the approach can be used to simulate the effect of lateral fluxes through river banks. It demonstrates that lateral fluxes can be a major contributor to total river–aquifer exchange fluxes. The proposed approach provides the necessary tools to accurately model river–aquifer interaction for gaining rivers in MODFLOW.RésuméIl y a un besoin pour les approches de modélisation des eaux souterraines de pouvoir incorporer à la fois la complexité des lits de rivière et l’influence des écoulements latéraux à travers les berges de la rivière dans la simulation de l’interaction rivière–aquifère. Une approche simple et directe est proposée pour modéliser l’interaction rivière–aquifère dans le cas des rivières drainantes à partir des éléments de base existants et disponibles dans MODFLOW. L’eau de la rivière elle-même est modélisée par mailles à charge constante, tandis que le lit de la rivière est simulé par une couche ou plusieurs couches distinctes. Le module Barrière à Ecoulement Horizontal (BEH) est utilisé pour simuler l’effet de la berge de la rivière sur les flux d’échanges latéraux entre le rivière et l’aquifère. Cette approche a plusieurs avantages par rapport aux modules d’écoulement conventionnels de MODFLOW : (1) les lits de rivière peuvent être modélisés sous la forme de plusieurs couches aux propriétés hydrauliques différentes; (2) l’écoulement vertical et l’écoulement horizontal à travers le lit de la rivière peuvent être modélisés en même temps; et (3) l’écoulement latéral à travers les berges de la rivière peut être simulé. Les possibilités de la nouvelle approche sont démontrées dans deux applications basées sur un modèle MODFLOW de la Rivière Aa, en Belgique. L’application I démontre que l’approche peut être utilisée pour modéliser des lits de rivière multi-couches hétérogènes. Les résultats montrent que négliger cette hétérogénéité peut conduire à une surestimation des flux échangés entre la rivière et l’aquifère. L’application II montre que l’approche peut être utilisée pour simuler l’effet des flux latéraux à travers les berges de la rivière. Elle démontre que les flux latéraux peuvent être une contribution majeure aux flux totaux d’échange rivière–aquifère. L’approche proposée fournit les outils nécessaires pour modéliser de manière précise dans MODFLOW l’interaction rivière–aquifère dans le cas des rivières drainantes.ResumenEn la simulación de la interacción río–acuífero se necesitan enfoques de modelización del agua subterránea que puedan incorporar tanto la complejidad de los lechos de los ríos como la influencia de los flujos laterales a través de las márgenes. Se propone un enfoque simple y directo para modelar la interacción río–acuífero en ríos ganadores sobre la base de los componentes disponibles en MODFLOW. El agua del río en sí misma se modela como celdas de carga constante, mientras que el lecho del río se modela como una o más capas separadas. El Horizontal Flow Barrier (HFB) Package se utiliza para simular el efecto de la margen de un río sobre los flujos de intercambio lateral entre el río y el acuífero. Este enfoque tiene varias ventajas sobre los paquetes convencionales de MODFLOW para flujo de una corriente: (1) los lechos de los ríos pueden modelarse como varias capas con diferentes propiedades hidráulicas; (2) pueden modelarse tanto los caudales verticales como los horizontales a través del lecho del río; y (3) pueden simularse los caudales laterales a través de las márgenes del río. Las capacidades del nuevo enfoque se demuestran en dos aplicaciones basadas en un modelo MODFLOW del Aa River, Bélgica. La aplicación I demuestra que el enfoque puede ser utilizado para modelar cauces heterogéneos de múltiples capas. Los resultados muestran que ignorar esta heterogeneidad puede resultar en una sobreestimación de los flujos de intercambio río–acuífero. La aplicación II muestra que el enfoque puede utilizarse para simular el efecto de los flujos laterales a través de las márgenes de los ríos. Se demuestra que los flujos laterales pueden contribuir en gran medida a los flujos totales de intercambio río–acuífero. El enfoque propuesto proporciona las herramientas necesarias para modelar en MODFLOW con precisión la interacción río–acuífero para ríos ganadores.摘要在模拟河流-含水层相互作用中, 需要包括河床复杂性和通过河床的侧向流影响的地下水模拟方法。基于MODFLOW软件中已有的建筑模块, 这里提出了一个简单直接的方法用来模拟袭夺河中河流-含水层相互作用。河水本身被模拟为恒定水头单元, 而河床模拟为一个或更多个单独的层。水平流动屏障软件包用来模拟河岸对河流和含水层之间侧向交换通量的影响。本方法与常规MODFLOW河流软件包相比有几个优点:1)河床可以模拟为具有不同水力特性的几个层; 2)通过河床的垂直和水平流可以被模拟; 3)通过河岸的侧向流可以被模拟。根据比利时Aa河的一个MODFLOW模型的两次应用展示了新方法的功能。应用一证明了该方法可用来模拟异质多层河床。结果显示, 忽略这个异质性可导致过高估计河流-含水层交换通量。应用二显示, 该方法可用来模拟通过河岸的侧向通量影响。该方法证明, 侧向通量可能是对总河流-含水层交换通量的主要贡献者。这里提出的方法为精确模拟MODFLOW中袭夺河的河流-含水层相互作用提供了必要的工具。ResumoHá a necessidade de abordagens de modelagem das águas subterrâneas que possam incorporar tanto a complexidade dos leitos de rio e a influência dos escoamentos laterais através das bancadass de rio na simulação da interação rio–aquífero. Uma abordagem simples e direta é proposta para a modelagem da interação rio–aquífero em rios efluentes baseada na existência de blocos de construção disponível no MODFLOW. A própria água do rio é modelada como células de carga constante, enquanto o leito do rio é modelado como uma ou mais camadas separadas. O Pacote Barreira de Escoamento Horizontal (BEH) é usado para simular o efeito das bancadas do rio nos fluxos de troca laterais entre o rio e o aquífero. Essa abordagem possui várias vantagens sobre os pacotes convencionais de fluxo de rio do MODFLOW: (1) os leitos de rio podem ser modelados como várias camadas com diferentes propriedades hidráulicas; (2) tanto o escoamento vertical e horizontal através do leito de rio pode ser modelado; e (3) escoamento lateral através das bancadas do rio pode ser simulado. Os recursos da nova abordagem são demonstrados em duas aplicações baseadas em um modelo MODFLOW do Rio Aa, Bélgica. A Aplicação I demonstra que a abordagem pode ser usada para modelar multicamadas heterogêneas de leitos de rio. Os resultados mostram que negligenciar a heterogeneidade pode ocasionar uma superestimava da troca de fluxos rio–aquífero. A Aplicação II mostra que a abordagem pode ser usada para simular o efeito dos fluxos laterais através das bancadas do rio. É demonstrado que os fluxos laterais podem ser um contribuinte majoritário para a troca total de fluxos rio–aquífero. A abordagem proposta fornece as ferramentas necessárias para modelar precisamente a interação rio–aquífero para rios efluentes no MODFLOW.