Willem Jan Zaadnoordijk

Identification of potential sites for aquifer storage and recovery (ASR) in coastal areas using ASR performance estimation methods

Performance of freshwater aquifer storage and recovery (ASR) systems in brackish or saline aquifers is negatively affected by lateral flow, density effects, and/or dispersive mixing, causing ambient groundwater to enter ASR wells during recovery. Two recently published ASR performance estimation methods are applied in a Dutch coastal area, characterized by brackish-to-saline groundwater and locally high lateral-flow velocities. ASR performance of existing systems in the study area show good agreement with the predicted performance using the two methods, provided that local vertical anisotropy ratios are limited (<3). Deviations between actual and predicted ASR performance may originate from simplifications in the conceptual model and uncertainties in the hydrogeological and hydrochemical input. As the estimation methods prove suitable to predict ASR performance, feasibility maps are generated for different scales of ASR to identify favorable ASR sites. Successful small-to-medium-scale ASR varies spatially in the study area, emphasizing the relevance of reliable a priori spatial mapping.RésuméLa performance des dispositifs de stockage souterrain et récupération (ASR) d’eau douce dans les aquifères salés ou saumâtres est pénalisée par l’écoulement latéral, les effets de densité et/ou le mélange dispersif, ce qui cause l’intrusion d’eau connée dans les puits d’ASR pendant la récupération. Deux méthodes d’estimation de la performance de l’ASR récemment publiées sont appliquées à une zone côtière de Hollande caractérisée par des eaux souterraines saumâtres à salées et localement des vitesses d’écoulement latérales élevées. La performance ASR de dispositifs existants dans la zone d’étude montre un bon accord avec la performance prévue avec les deux méthodes, tant que les rapports d’anisotropie verticale locale sont limités (<3). Les écarts entre la performance ASR prévue et observée pourraient avoir pour origine des simplifications du modèle conceptuel et des incertitudes dans les paramètres d’entrée hydrogéologiques et hydrochimiques. Comme les méthodes d’estimation sont adaptées à la prévision de la performance de l’ASR, des cartes de faisabilité sont établies pour des dispositifs d’ASR de différents volumes afin d’identifier des sites ASR favorables. Les dispositifs d’ASR de petit à moyen volume efficaces varient dans le domaine de la zone d’étude, ce qui souligne la pertinence d’une cartographie spatiale préalable fiable.ResumenEl rendimiento de los sistemas de recuperación y almacenamiento (ASR) de acuíferos de agua dulce en acuíferos salobres o salino es negativamente afectado por el flujo lateral, los efectos de densidad y / o mezcla dispersiva, lo cual causa que el agua subterránea ambiente entre a pozos ASR durante la recuperación. Se aplican dos métodos de estimación de rendimiento ASR recientemente publicados a un área costera holandesa., caracterizada por agua subterránea salobre a salina y altas velocidades locales de flujo lateral. Los rendimientos ASR de sistemas existentes en el área de estudio muestran un buen acuerdo con el rendimiento predicho usando los dos métodos, siempre y cuando que las tasas anisotropía vertical local sean limitadas (<3). Las desviaciones entre los rendimientos reales y los predichos por ASR pueden originarse a partir simplificaciones en el modelo conceptual e incertidumbres en las entradas hidrogeológicas e hidroquímicas. Como los métodos de estimación muestran apropiados rendimientos predichos por ASR, se generan mapas de factibilidad para distintas escalas de ASR para identificar sitios ASR favorables. Los ASR exitosos de media a pequeña escala varían espacialmente en el área de estudio, enfatizando la relevancia de un mapeo espacial confiable a priori.摘要淡水含水层的存储和恢复(ASR)系统在微咸水或咸水含水层中受到侧向流、密度的影响和/或分散混合的负面影响,在恢复中造成周围地下水进入ASR井。在荷兰沿海地区,最近发表的两篇有关ASR性能估算法应用于微咸到咸水地下水和局部高侧向流动速度的地区。在研究区内,现有系统的ASR性能显示与预测的性能一致,在当地垂直各向异性率不超过u2009<u20093的条件下。实际的与预测的性能之间的偏差可能源自简化概念模型以及在水文地质、水化学输入的不确定因素。随着评估法可以预测ASR性能,不同比例尺的ASR可行性地图可帮助识别好的ASR场地。在研究区内,成功的小型 -中型的ASR场地空间的变化,强调可靠的先天的特殊标测的相关性。ResumoO desempenho de sistemas de armazenamento e recuperação de água doce em aquíferos (ASR) salobros ou salinos é afetado negativamente por fluxo lateral, efeitos de densidade e/ou mistura dispersiva, causando a entrada de água subterrânea ambiente nos poços ASR durante a extração. Dois métodos de estimação de desempenho do ASR recentemente publicados foram aplicados numa área costeira holandesa, caraterizada por água subterrânea salobra a salina e, localmente, por velocidades elevadas de fluxo lateral. O desempenho do ASR dos sistemas existentes na área de estudo mostram uma boa correlação com o desempenho previsto quando se usam os dois métodos, desde que os índices de anisotropia vertical sejam limitados (<3). Os desvios entre os desempenhos de ASR reais e os previstos podem ter origem nas simplificações do modelo concetual e nas incertezas dos dados hidrogeológicos e hidrogeoquímicos iniciais. Como os métodos de estimação provam ser adequados para prever o desempenho do ASR, mapas de viabilidade são gerados para diferentes escalas de ASR, a fim de identificar locais favoráveis ao ASR. O sucesso a pequena a média escala varia espacialmente na área de estudo, enfatizando a importância de um mapeamento espacial confiável feito a priori.

Deriving hydrogeological parameters through time series analysis of groundwater head fluctuations around well fields

A method is presented by which time series analysis is applied to support groundwater system conceptualization and provide calibration targets for a steady groundwater model. The method is demonstrated for heads measured in the vicinity of a drinking-water well field. The estimated steady response to pumping was used to classify the monitoring wells as semi-confined or phreatic. Based on this conceptualization, the aquifer system was represented by two layers separated by a leaky bed, which represents the resistance to vertical flow of the layers. The model could be calibrated satisfactorily using the drawdowns estimated by time series analysis. This approach was more successful than deriving the aquifer parameters directly from the analytical well function of Hantush, which was successful for a limited number of monitoring wells only and required the a priori choice of the elevation of a confining layer which was not clear from bore logs. This study shows that time series analysis can lead to qualitative and quantitative insights regarding the local hydrogeology, providing complementary information to available bore logs to design a conceptual groundwater model. Time series analysis provides a cost-effective alternative to pumping tests when measured head fluctuations influenced by pumping wells are available.RésuméOn présente une méthode utilisant des séries chronologiques pour conceptualiser un système aquifère et fournir des objectifs de paramétrage pour un modèle en régime permanent. La méthode est établie avec les données piézométriques obtenues au voisinage d’un champ captant d’eau potable. La réponse des puits de contrôle estimée stable au pompage a été utilisée pour caractériser l’aquifère comme semi-captif ou phréatique. Basée sur cette conceptualisation, le système aquifère est représenté par deux niveaux séparés par une couche semi-perméable représentant la résistance des couches au débit vertical. Le modèle a pu être calibré de façon satisfaisante en utilisant les rabattements estimés par l’analyse des séries chronologiques. Cette approche est plus satisfaisante que la déduction directe des paramètres de l’aquifère à partir de la fonction analytique de puits de Hantush, utilisée avec succès seulement dans le cas d’un nombre de puits de contrôle limité et nécessitant le choix à priori de la cote d’un niveau confiné qui n’était pas clair au vu des logs de sondage. Cette étude montre que l’analyse des séries chronologiques peut conduire à des données qualitatives et quantitatives concernant l’hydrogéologie locale, fournissant une information complémentaire aux logs de sondages disponibles pour créer un modèle conceptuel d’aquifère. L’analyse de séries chronologiques fournit une alternative économique aux tests de pompage en termes de coût quand des fluctuations piézométriques influencées par des puits de pompage sont disponibles.ResumenSe presenta un método por el cual se aplica el análisis de series de tiempo para apoyar la conceptualización del sistema y proveer patrones de calibración para un modelo estacionario de agua subterránea. El método es demostrado para niveles medidos en las vecindades de un campo de pozos de abastecimiento de agua. La respuesta estimada para un bombeo constante se utilizó para clasificar los pozos de monitoreo como semiconfinados o freáticos. Basada en esta conceptualización, el sistema acuífero fue representado por dos capas separadas por un nivel filtrante, que representa la resistencia al flujo vertical entre las capas. El modelo puede ser calibrado satisfactoriamente usando las depresiones estimadas por el análisis de series de tiempo. Este enfoque fue más exitoso que derivando los parámetros del acuífero directamente de la función analítica de pozo de Hantush, que fue exitosa para un número limitado de pozos de monitoreo y sólo se requiere la elección a priori de la elevación de una capa confinante que no era clara a partir de los perfiles del pozo. Este estudio muestra que el análisis de series de tiempo puede conducir a conocimientos cualitativos y cuantitativos con respecto a la hidrogeología local, proveyendo información complementaria a los registros de pozos disponibles para diseñar un modelo conceptual de agua subterránea. El análisis de series de tiempo provee una alternativa rentable a los ensayos de bombeo cuando se disponen fluctuaciones medidas de los niveles influenciadas por pozos de bombeo.ResumoApresenta-se um método pelo qual a análise de séries temporais é aplicada para apoiar a concetualização do sistema hidrogeológico e proporcionar alvos de calibração de um modelo de água subterrânea estacionário. O método é demostrado para níveis piezométricos na vizinhança de um campo de captações destinado a abastecimento. O nível estacionário estimado em resposta ao bombeamento foi usado para classificar os furos de monitorização como semi-confinados ou freáticos. Com base nesta concetualização, o sistema aquífero foi representado por duas camadas separadas por um nível aquitardo, que representa a resistência ao escoamento vertical entre as camadas. O modelo pôde ser calibrado de forma satisfatória utilizando os rebaixamentos estimados através da análise da série temporal. Esta abordagem foi mais bem sucedida do que a derivação dos parâmetros aquíferos diretamente a partir da função analítica de poço de Hantusch, que só foi bem sucedida para um número limitado de furos de monitorização e requer a escolha, à priori, da posição duma camada confinante, o que não se conseguiu de forma clara a partir dos testemunhos de sondagem. Este estudo mostra que a análise de séries temporais pode resultar em conhecimentos qualitativos e quantitativos sobre a hidrogeologia local, fornecendo informação complementar, em relação aos testemunhos de sondagens disponíveis, para a elaboração do modelo hidrogeológico concetual. As análises temporais proporcionam uma alternativa de baixo custo aos ensaios de bombeamento, quando estão disponíveis dados de medições das flutuações piezométricas resultantes da influência de furos de bombeamento.

The use of salinity contrast for density difference compensation to improve the thermal recovery efficiency in high-temperature aquifer thermal energy storage systems

The efficiency of heat recovery in high-temperature (>60xa0°C) aquifer thermal energy storage (HT-ATES) systems is limited due to the buoyancy of the injected hot water. This study investigates the potential to improve the efficiency through compensation of the density difference by increased salinity of the injected hot water for a single injection-recovery well scheme. The proposed method was tested through numerical modeling with SEAWATv4, considering seasonal HT-ATES with four consecutive injection-storage-recovery cycles. Recovery efficiencies for the consecutive cycles were investigated for six cases with three simulated scenarios: (a) regular HT-ATES, (b) HT-ATES with density difference compensation using saline water, and (c) theoretical regular HT-ATES without free thermal convection. For the reference case, in which 80xa0°C water was injected into a high-permeability aquifer, regular HT-ATES had an efficiency of 0.40 after four consecutive recovery cycles. The density difference compensation method resulted in an efficiency of 0.69, approximating the theoretical case (0.76). Sensitivity analysis showed that the net efficiency increase by using the density difference compensation method instead of regular HT-ATES is greater for higher aquifer hydraulic conductivity, larger temperature difference between injection water and ambient groundwater, smaller injection volume, and larger aquifer thickness. This means that density difference compensation allows the application of HT-ATES in thicker, more permeable aquifers and with larger temperatures than would be considered for regular HT-ATES systems.RésuméLe rendement de la récupération de la chaleur dans des systèmes de stockage d’énergie thermique en aquifère à haute température (>60xa0°C) (HT-ATES) est limitée à cause de la force ascensionnelle de l’eau chaude injectée. Cette étude examine dans quelle mesure il est possible d’améliorer le rendement grâce à la compensation de la différence de densité en augmentant la salinité de l’eau chaude injectée pour un puits unique d’injection-récupération. La méthode proposée a été testée par le biais d’un modèle numérique utilisant le code SEAWATv4 considérant un HT-ATES saisonnier de quatre cycles consécutifs d’injection-stockage-récupération. Les rendements de récupération pour les cycles consécutifs ont été étudiés pour six cas avec trois scénarios simulés : (a) HT-ATES ordinaire, (b) HT-ATES avec une compensation de la différence de densité en utilisant une eau salée, et (c) HT-ATES théorique ordinaire sans convection thermique libre. Pour le cas de référence, dans lequel une eau de 80xa0°C a été injectée dans un aquifère à perméabilité élevée, le HT-ATES ordinaire avait un rendement de 0.40 après quatre cycles consécutifs de récupération. La méthode de compensation de la différence de densité conduit à un rendement de 0.69, se rapprochant du cas théorique (0.76). L’analyse de sensibilité a montré que l’augmentation du rendement net en utilisant la méthode de compensation de la différence de densité au lieu d’un HT-ATES ordinaire est plus grande pour une conductivité hydraulique d’aquifère plus élevée, une plus grande différence de température entre l’injection et l’eau souterraine environnante, un plus petit volume injecté, et une plus grande épaisseur d’aquifère. Cela signifie que la compensation de la différence de densité permet l’application d’un HT-ATES dans des aquifères plus épais, plus perméables et avec de plus grandes températures que ce qui pourrait être considéré pour des HT-ATES ordinaires.ResumenLa eficiencia de recuperación de calor en sistemas de almacenamiento de energía térmica (HT-ATES) en acuíferos de alta temperatura (>60xa0°C) es limitada debido a la flotabilidad del agua caliente inyectada. Este estudio investiga el potencial de mejorar la eficiencia a través de la compensación de la diferencia de densidad por el aumento de la salinidad del agua caliente inyectada para un esquema de pozos de recuperación de inyección única. El método propuesto se puso a prueba a través de la modelización numérica con SEAWATv4 considerando un HT-ATES estacional de cuatro ciclos consecutivos de almacenamiento y recuperación de la inyección. Se investigaron las eficiencias de recuperación para ciclos consecutivos de seis casos con tres escenarios simulados: (a) HT-ATES regular, (b) HT-ATES con la compensación de la diferencia de densidad usando agua salina, y (c) HT-ATES teórico regular sin convección térmica libre. Para el caso de referencia, en el que se inyectó el agua a 80xa0°C en un acuífero de alta permeabilidad, el HT-ATES regular tenía una eficiencia de 0.40 después de cuatro ciclos de recuperación consecutivos. El método de compensación por diferencia de densidad dio lugar a una eficiencia de 0.69, que se aproxima al caso teórico (0.76). El análisis de sensibilidad mostró que el aumento neto de la eficiencia mediante el uso del método de compensación de diferencia de densidad en lugar del HT-ATES regular es mayor para una conductividad hidráulica del acuífero más alta, para una mayor diferencia de temperatura entre la inyección y el agua subterránea, para un volumen de inyección más pequeño, y para un mayor espesor del acuífero. Esto significa que la compensación por diferencia de densidad permite la aplicación de HT-ATES en acuíferos de mayor espesor y más permeables y con temperaturas mayores de lo que se considera para los sistemas regulares de HT-ATES.摘要由于注入的热水浮性,高温(>60xa0°C)含水层热能储存系统热回收效率受到限制。本项研究调查了通过密度差补偿提高效率的潜力,密度差补偿通过单个的注入-回收计划中注入的热水增加的盐度来完成。考虑到四个连续的注入-储存-回收周期的季节性高温含水层热能储存,通过采用SEAWATv4数值模拟对所提出的方法进行了检测。研究了连续周期回收效率三种模拟方案下的六种情况:(a)常规的高温含水层热能储存,(b)伴有采用咸水进行密度差补偿的高温含水层热能储存,(c)没有自由热对流的理论上常规的高温含水层热能储存。在80°C热水注入到高透水性含水层的参考案例中,常规的高温含水层热能储存的效率在四个连续的回收周期之后为0.40。密度差补偿方法的效率为0.69,接近理论案例(0.76)。灵敏度分析显示,采用密度差补偿方法而不是采用常规的高温含水层热能储存,纯效率在较高的含水层水力导水系数下增加的要多,注入水和周围地下水之间的温度差要大,注入量较小,含水层厚度较大。这意味着,密度差补偿可以在比适用于常规高温含水层热能储存系统的含水层有更高温度、厚度更大、透水性更大的含水层中应用高温含水层热能储存。SamenvattingHet terugwinrendement van warmte tijdens ondergrondse hoge temperatuur opslag (HTO, >60xa0°C) wordt beperkt door de thermisch-gedreven opdrijving van het geïnjecteerde hete water. In deze studie is onderzocht of voor een HTO-put het rendement waarmee geïnjecteerde warmte kan worden teruggewonnen verbeterd kan worden met het verhogen van de saliniteit van het geïnjecteerde hete water om zo het dichtheidsverschil te compenseren. Middels numerieke simulatie in SEAWATv4 is deze methode om dichtheidsverschil te compenseren getest voor seizoensgebonden HTO voor vier opeenvolgende cycli van injectie-opslag-recovery. Het terugwinrendement voor de opeenvolgende cycli is onderzocht voor zes gevallen met elk drie gemodelleerde scenario’s: (a) conventionele HTO, (b) HTO met dichtheidsverschil-compensatie door gebruik te maken van zout water, (c) conventionele HTO voor een theoretisch scenario zonder opdrijving. Het terugwinrendement tijdens conventionele HTO is 0.40 na vier cycli voor de conventionele HTO, waarbij water van 80xa0°C is geïnjecteerd in een grondwaterpakket met een hoge permeabiliteit. Met de dichtheidsverschil-compensatie methode is het terugwinrendement 0.69. Deze waarde ligt dicht in de buurt van het rendement voor het theoretische scenario (0.76). De gevoeligheidsanalyse laat zien dat de toename in terugwinrendement met de dichtheidsverschil-compensatie methode ten opzichte van conventionele HTO het grootst is voor de gevallen met een hogere doorlatendheid van het grondwaterpakket, grotere temperatuurverschillen tussen injectiewater en grondwater, kleinere injectievolumes en dikkere grondwaterpakketten. Dit betekent dat het gebruik van dichtheidsverschil-compensatie tijdens HTO het mogelijk maakt HTO toe te passen in grondwaterpakketten met een grotere dikte en een hogere doorlatendheid en met hogere injectie temperaturen, dan welke er tot nu toe gebruikelijk worden beschouwd voor conventionele HTO-systemen.ResumoA eficiência da recuperação de calor em altas temperaturas (>60xa0°C) em sistemas aquíferos de armazenamento de energia térmica (high-temperature aquifer thermal energy storage/HT-ATES) é limitada devido a força hidrostática da água quente injetada. Este estudo investiga o potencial para melhor a eficiência através da compensação da diferença de densidade por aumento de salinidade da água quente injetada por um sistema de poço de injeção-recuperação único. O método proposto foi testado através da modelagem numérica com SEAWATv4 considerando HT-ATES sazonais de quatro ciclos consecutivos de injeção-armazenamento-recuperação. Eficiências de recuperação para os ciclos consecutivos foram investigadas por seis casos com três cenários simulados: (a) HT-ATES regular, (b) HT-ATES com compensação da diferença de densidade usando água salina, e (c) HT-ATES regular teórico sem convecção térmica livre. Para o caso de referência, no qual a água à 80xa0°C foi injetada para dentro do aquífero de alta-permeabilidade, HT-ATES regular teve uma eficiência de 0.40 depois de quatro ciclos consecutivos de recuperação. O método de compensação da diferença de densidade resultou numa eficiência de 0.69, aproximando-se ao caso teórico (0.76). Análise de sensibilidade mostrou que o aumento na eficiência líquida por uso do método de compensação da diferença de densidade ao invés do HT-ATES regular é maior para maiores condutividades hidráulicas do aquífero, maior diferença de temperatura entre injeção e águas subterrâneas ambientes, menor volume de injeção, e maior espessura do aquífero. Isto significa que a compensação da diferença de densidade permite a aplicação de HT-ATES em aquíferos mais espessos, mais permeáveis e com temperatura maior do que poderia ser considerado por sistemas HT-ATES regulares.

Automated Time Series Modeling for Piezometers in the National Database of the Netherlands

Abstract The Geological Survey of the Netherlands (TNO‐GSN) maintains a public national database of groundwater head observations. Transfer function‐noise modeling has been applied to the time series in order to extract the impulse response functions for precipitation and evaporation for each piezometer. An automated procedure has been developed to assess the quality of the time series and of the models. The time series models of sufficient quality offer far more homogeneous data on the piezometric head than the original measurements. This allows for improved mapping of the head at a specific date or of characteristics of the head like average summer or winter levels. Also, the separation of precipitation and evaporation from other influences is useful for groundwater management and policy. The individual time series models are available online with interactive graphics (https://www.grondwatertools.nl/grondwatertools‐viewer). The spatial patterns of the impulse response function characteristics can support analyses of the groundwater system.

REFLECT, a Decision Support System for Harmonizing Spatial Developments with Groundwater Resources

A sustainable drinking-water supply requires durable securing of the resource. With an increase in spatial pressure, the need is increasing to prioritize measures based on the vulnerability of the resources and the impact of surrounding land use functions. This is especially challenging in the Province of Overijssel with groundwater abstraction sites in vulnerable Pleistocene sandy soils and increasing spatial pressure from both agricultural and urban areas. The governance of the groundwater abstractions in the Province of Overijssel is based on a combination of precaution and a risk-based approach. The Province has adopted REFLECT to assess the risks of spatial developments. REFLECT is a negotiation support system that gives an overview of the vulnerability of the groundwater abstractions and risks of several land use functions on the groundwater quality. REFLECT has been used to obtain the current risk scores of all drinking water abstractions in the Province and following the EU Water Framework Directive. Spatial insight of risks was used to identify and target measures reducing these risks. Moreover, REFLECT has been applied to decide on a local spatial development near an abstraction. Knowledge of the impact of land use changes on groundwater quality helped the municipality harmonizing the spatial plan with the interest of the drinking water abstraction and creating a step-forward in the protection level of the abstraction site. These applications illustrate that REFLECT is an instrument that fits well within risk-based groundwater governance which aims at safeguarding of the public water supply by harmonizing land use functions.