An evaluation of semidistributed-pipe-network and distributed-finite-difference models to simulate karst systems

Several different approaches have been developed to model the specific characteristics of karst aquifers, taking account of their inherent complex spatial and temporal heterogeneities. This paper sets out the development of a semidistributed modelling approach for applications in an Irish karst context using urban drainage software. The models have proven to be very useful for different studies, with examples given for the ecohydrology of ephemeral karst lakes, extreme groundwater-flood alleviation, karst network investigation, submarine groundwater discharge, and quantification of different recharge and flow components. The limitations of the approach are also highlighted, in particular not being able to simulate diffuse infiltration and flow paths explicitly across the groundwater catchment. Hence, a more distributed, finite-difference modelling approach using MODFLOW Unstructured Grid (USG) with the newly developed Connected Linear Network (CLN) process is then compared against the semidistributed approach on the same karst catchment. Whilst it has proven difficult to achieve the same levels of model performance in simulating the spring flows in the distributed model compared to the semidistributed model, the ability to interrogate the flow paths at any point on the three-dimensional aquifer is demonstrated, which can give new insights into flows (and potential contaminant transport) through such complex systems. The influence of the proximity of highly transmissive conduits on the flow dynamics through the much-lower transmissive matrix cells in which the network is embedded has been particularly investigated.Plusieurs approches différentes ont été développées pour modéliser les caractéristiques spécifiques des aquifères karstiques, prenant en compte leurs hétérogénéités spatiales et temporelles associées à leur complexité intrinsèque. Cet article présente le développement d’une approche de modélisation semi-distribuée appliquée à un contexte karstique irlandais en utilisant un logiciel de drainage urbain. Ces modèles se sont avérés très utiles pour différentes études, avec des exemples appliqués à l’écohydrologie de lacs karstiques éphémères, l’atténuation de crues extrêmes liées aux eaux souterraines, à l’étude du réseau karstique, à la décharge des sources sous-marines et à la quantification des différentes composantes aussi bien de la recharge que du débit. Les limites de cette approche sont aussi mises en évidence, avec en particulier l’incapacité de simuler l’infiltration diffuse et les voies d’écoulement de manière explicite au sein du bassin d’alimentation d’eaux souterraines. Par conséquent, une approche de modélisation plus distribuée aux différences finies utilisant le logiciel MODFLOW avec une grille non structurée (USG) intégrant le processus récemment développé de réseau linéaire connecté (CLN) est ensuite comparée à l’approche semi-distribuée appliquée au même bassin karstique. Alors qu’il s’est avéré difficile d’atteindre les mêmes niveaux de performance du modèle concernant la simulation du débit à la source à l’aide du modèle distribué en comparaison au modèle semi-distribué, la possibilité d’examiner les voies d’écoulement en tout point de l’aquifère en 3D est démontrée, ce qui peut donner de nouvelles connaissances sur les écoulements (et le transport potentiel de contaminants) au sein de tels systèmes complexes. L’influence de la proximité de conduits hautement transmissifs sur les écoulements dynamiques au travers des cellules de transmissivité plus faible de la matrice au sein de laquelle le réseau est intégré, a été particulièrement étudiée.Se han elaborado varios enfoques diferentes para modelar las características específicas de los acuíferos kársticos, teniendo en cuenta sus complejas y propias heterogeneidades espaciales y temporales. En el presente documento se expone la elaboración de un enfoque de modelización semidistribuido para aplicaciones en un contexto kárstico de Irlanda utilizando programas informáticos de drenaje urbano. Los modelos han demostrado ser muy útiles para diferentes estudios, y se dan ejemplos para la ecohidrología de los lagos kársticos efímeros, la mitigación de las inundaciones extremas de aguas subterráneas, la investigación de redes kársticas, la descarga submarina de aguas subterráneas y la cuantificación de diferentes componentes de la recarga y el flujo. También se ponen de relieve las limitaciones del enfoque, en particular el hecho de no poder simular explícitamente la infiltración difusa y las trayectorias de flujo a través de la cuenca de captación de aguas subterráneas. Por lo tanto, un enfoque de modelización de diferencias finitas distribuidas utilizando la red no estructurada (USG) de MODFLOW con el proceso de la Red Lineal Conectada (CLN) recientemente desarrollado se compara entonces con el enfoque semidistribuido en la misma cuenca kárstica. Si bien se ha demostrado que es difícil lograr los mismos niveles de rendimiento del modelo en la simulación de los flujos de manantiales en el modelo distribuido en comparación con el modelo semidistribuido, se demuestra la capacidad de interrogar las trayectorias de los flujos en cualquier punto del acuífero tridimensional, lo que puede dar nuevos conocimientos sobre los flujos (y el transporte de contaminantes potenciales) a través de sistemas tan complejos. Se ha investigado en particular la influencia de la proximidad de conductos altamente transmisivos en la dinámica de los flujos a través de las células de la matriz transmisiva, mucho más bajas, en las que está incorporada la red.鉴于岩溶含水层内在的复杂时空异质性, 已经开发出几种不同的方法来模拟岩溶含水层的特定性质。本文提出了基于城市排水软件的半分布式模型的开发方法, 并在爱尔兰喀斯特环境中应用。该模型已被证明对不同的研究非常有用, 并举例说明了季节性的喀斯特湖的生态水文学, 极端地下水洪涝减缓, 岩溶网络调查, 海底地下水排泄以及不同补给量和流动量的量化。还强调了该方法的局限性, 特别是不能明确模拟整个地下水盆地的扩散入渗和流动路径。因此, 然后将MODFLOW非结构化网格(USG)和新开发的连接线性网络(CLN)过程耦合的分布式有限差分方法与同一个喀斯特流域的半分布式方法进行了比较。尽管已证明分 布式模型模拟的泉流量难以达到与半分布式模型相比相同水平的模型性能, 但仍展示了在三维含水层上任意点处查询流路的能力, 这可以给出分析该类复杂系统流量(以及潜在的污染物传输)的新方法。特别研究了高传输管流的邻近度对通过嵌入网络的传导率低得多单元的流动动力学的影响。.Diversas abordagens diferentes foram desenvolvidas para modelar as características específicas dos aquíferos cársticos, levando em consideração suas complexas heterogeneidades espaciais e temporais inerentes. Este artigo apresenta o desenvolvimento de uma abordagem de modelagem semidistribuída para aplicações em um contexto cárstico irlandês usando software de drenagem urbana. Os modelos provaram ser muito úteis para diferentes estudos, com exemplos dados para a ecohidrologia de lagos cársticos efêmeros, alívio de inundações subterrâneas extremas, investigação de rede cárstica, descarga de água subterrânea submarina e quantificação de diferentes componentes de recarga e fluxo. As limitações da abordagem também são destacadas, em particular não ser capaz de simular infiltração difusa e caminhos de fluxo explicitamente através da captação de água subterrânea. Portanto, uma abordagem de modelagem de diferenças finitas, mais distribuída, usando MODFLOW Unstructured Grid (USG) com o processo de Rede Linear Conectada (RLC) recém-desenvolvido é então comparada com a abordagem semidistribuída na mesma bacia cárstica. Embora tenha se mostrado difícil alcançar os mesmos níveis de desempenho do modelo na simulação dos fluxos de nascente no modelo distribuído em comparação com o modelo semidistribuído, a capacidade de interrogar os caminhos de fluxo em qualquer ponto do aquífero tridimensional é demonstrada, o que pode dar novas percepções sobre os fluxos (e o transporte potencial de contaminantes) por meio de tais sistemas complexos. A influência da proximidade de condutos altamente transmissivos na dinâmica do fluxo através das células da matriz transmissiva muito inferior nas quais a rede está inserida foi investigada particularmente.