Integrating groundwater resources in existing water supply infrastructure using spatial tools

Abstract

Management and development of groundwater resources introduces the challenge of collecting necessary information to understand the system. The information must integrate the aquifer system characteristics and the limitations of the system to avoid a future depletion of this important water resource. Considering the complexity of the system and the amount of information required for the analysis, computational tools and technologies must be developed and applied to collect and integrate information for an effective and efficient assessment of the area of study. This study develops tools and methods for intelligent design, development, and management of groundwater resources in areas with existing, but deficient water infrastructure. Using Geographic Information System (GIS) technologies, this study integrates water use with the physical, hydraulic, and hydrogeologic characteristics and constraints with water-supply infrastructure systems for development of groundwater systems in a cost-effective manner without causing depletion of the groundwater resources. The technologies are applied to the hydrogeophysical system at University of Puerto Rico at Mayagüez (UPRM), which served as the validation site. The preparation of a groundwater assessment and development plan for this site not only serves as an application site for this research and provides a guide for proper water management of the site that leads to benefits of large impacts to the institution and society as a whole. Results show that the method and tools developed serves as an effective technology to assess the feasibility of using groundwater resources in an area with existing water supply infrastructure. The GIS method applied to the UPRM site provided tools to characterize the groundwater system, estimate groundwater extraction rates subjected to system constraints, and design an optimize well field to supply a given water if the site. Results indicate that the groundwater system in the validation site defines as a confined aquifer with average transmissitivity and storage of 219 m2/day (79,935 m3/yr) and 0.003, respectively. A total of 2 well pumping at 325 m3/day (118,625 m3/yr) per well would be required to supply a water use of 570.9 m3/day (208,379 m3/yr). This rate and well field design minimize aquifer drawdown and depletion and optimize cost of development. It is concluded that groundwater resources may be used to supply the present water use of UPRM without causing an overexploitation to the aquifer. Furthermore, the GIS tools provide an alternative to visualize the results and less time consume in managing the data.

El manejo y desarrollo de aguas subterráneas conlleva retos en la colección de información que permita entender el sistema. La información colectada tiene que incluir las características del acuífero y las limitaciones del sistema para evitar la sobre explotación de este importante recurso de agua. Debido a la complejidad de los sistemas de aguas subterráneas y la cantidad de información envuelta en los análisis computacionales, nuevas tecnologías deben desarrollarse y aplicarse para colectar e integrar información para una evaluación efectiva y eficiente del área de estudio. Este estudio desarrolla herramientas y métodos para un diseño inteligente, el manejo y desarrollo del recurso de aguas subterráneas en áreas de estudio donde pueda haber una infraestructura existente pero que no esté operando de manera eficiente. Utilizando Sistemas de Información Geográfica (SIG), este estudio integra la demanda de agua potable, las características físicas, hidrogeológicas, hidráulicas y las restricciones que tiene la infraestructura del sistema de distribución de agua para desarrollar el recurso de aguas subterráneas de manera costo efectivo y sin causar un agotamiento del recurso por sobreexplotación. Las tecnologías son aplicadas al sistema hidrogeofísico de la Universidad de Puerto Rico Recinto de Mayagüez (UPRM) el cual fue utilizado como caso de validación. La preparación de un plan para la evaluación y desarrollo del recurso de aguas subterráneas en este sitio, sirve como herramienta de aplicación para esta investigación y provee guía para el manejo apropiado de agua que beneficia a la institución y la sociedad en general. Los resultados muestran que los métodos y herramientas desarrollados son una tecnología efectiva para evaluar la viabilidad de usar aguas subterráneas en un área con un sistema de distribución de agua existente. El método de SIG aplicado a la UPRM provee herramientas para caracterizar el sistema de aguas subterráneas, estimar la taza de extracción sujeta a restricciones del sistema, y diseñar y optimizar un campo de pozos para suplir una demanda dada de agua para el área de estudio. Los resultados indican que el agua subterránea en el sitio de validación se comporta como acuífero confinado con un promedio de transmisividad y coeficiente de almacenamiento de 219 m3/día (79,935 m3/día) y 0.003, respectivamente. Un total de 2 pozos, bombeando a 325 m3/día (118,625 m3/día) por pozos se requerirían para suplir una demanda de 570.9 m3/día (208,379 m3//año). Estas tazas de extracción y diseño de campo de pozos, minimiza el abatimiento y agotamiento del acuífero y optimiza el costo de desarrollo. Se concluye que los recursos de aguas subterráneas pueden suplir la demanda presente de UPRM sin causar sobreexplotación del acuífero. Además, la herramienta SIG proveyó una alternativa para la visualización de resultados y manejo de data de manera más rápida.