Original paper

Research into the Conjunctive Use of Surface and Groundwater with Artificial Recharge in Sussex (England)

Bibby, Robert; Brown, Susan L.; Davis, John

Kurzfassung

Die Grundwasservorräte im Grundwasserstockwerk Folkestone in der unteren Grünsandschicht (Kreideformation) bei Hardham, Sussex, werden seit 1964 in Verbindung mit Oberflächenwasserschöpfung vom Fluß Rother abgepumpt. Grundwasserstockwerk und Fluß sind auf hydraulische Weise miteinander verbunden. Wenn das Grundwasserstockwerk seine volle Speichermenge erreicht, enthält es ca. 164 x 10 3 m3. Die durchschnittliche natürliche Anreicherung des Grundwasserstockwerks beträgt ca. 14 x 10 3 m3. Der mittlere tägliche Durchfluß des Rother beträgt 435 x 10 3 m3/Tag; die Standardabweichung von plus oder minus 370 x 10 3 m3/Tag vermittelt einen deutlichen Eindruck von den großen Schwankungen in den Durchflußraten. Eine progressive Steigerung der Grundwasserschöpfungsraten bis 1974 verursachte ein ständiges Abnehmen der Wasserstände in dem gesamten Becken. Bereits 1968 wurde eine Reihe von Experimenten der künstlichen Anreicherung eingeleitet, um die Auswirkungen einer Anreicherung mit unbehandeltem Flußwasser durch Lagunen zu ermitteln. Diese Experimente wurden schließlich 1974 abgeschlossen. Das Versuchsprogramm wurde jedoch mittlerweile erweitert und umfaßt nun die Erwägung der Anreicherungsmöglichkeiten sowohl über Lagune wie über Bohrloch von behandeltem sowie nach behandeltem Flußwasser. Ziel dieser Experimente ist es, die Wirksamkeit verschiedener Anreicherungsmethoden zu bestimmen und Investitions- und Betriebskosten abzuleiten; diese Informationen liegen jedoch noch nicht vor. Um das Potential des Wasservorrats von Hardham als Teil eines regionalen Wasserversorgungssystems anstatt als ausschließlich lokaler Versorgungsquelle festzustellen, wurden zwei mathematische Modelle ausgearbeitet. Es wurde ein Simulationsmodell mit räumlich konzentrierten Parametern des Fluß/Grundwasserstockwerksystems entwickelt, um das System verschiedenen Bedarfsebenen bei Behandlungsanlagen unterschiedlicher Kapazität sowie den Bedingungen der künstlichen Anreicherung anzupassen und um die Gesamtbetriebspolitik zu bestimmen. Bei diesem Optimierungsmodell werden tägliche historische Flußablaufdaten verwendet. Ein im Begrenztdifferenzverfahren erstelltes Grundwassermodell wurde außerdem entwickelt, um das Grundwasserstockwerkssystem besser verstehen zu können und um die praktische Anwendbarkeit der Konstruktion und der Politik zu prüfen, die unter Verwendung der Optimierungsmodelle festgelegt wurden. (Das letztere Modell weist nur eine simplistische Darstellung des Grundwasserstockwerks auf.) Das Modell wurde unter Verwendung der historischen Daten von Wasserständen an 22 Beobachtungs- und Schöpfungsbrunnen im Laufe von 1964 bis 1977 geeicht, obwohl zahlreiche Aufzeichnungen nicht ganz vollständig waren. Es waren weiter Informationen über Eigenschaften des Grundwasserstockwerks sowie über Wasserstände für mehrere Bereiche des Beckens erforderlich, die zuvor nicht abgepumpt worden waren. Daher wurde eine Reihe von Beobachtungs-Bohrlöchern vorgetrieben, um das Grundwasserstockwerk ganz zu durchdringen. Kernbohrungs- und Schneidproben aus diesen Bohrlöchern wurden durch lithologische Aufzeichnungen, Partikelgrößenanalyse und unter Verwendung dünner Schnitte im einzelnen untersucht. Die Proben wurden außerdem hinsichtlich Porosität, nutzbarem Hohlraumgehalt und Durchlässigkeit gemessen, um einen vollkommenen Einblick in die Abweichungen in den Parametern des Grundwasserstockwerks innerhalb des Gebiets zu erhalten. Die Ergebnisse des Optimierungsmodells haben gezeigt, daß der Vorrat in der Lage ist, einen Maximalbedarf von ca. 200 x 10 3 m3/Tag zu decken. Die Durchführbarkeit der optimalen Konstruktionen und Betriebspolitik, die auf zwei Bedarfsebenen von 80 und 150 x 10 3 m3/Tag bestimmt wurden, wurden am Grundwassermodell im Verlauf der Trockenheit von 1972/1976 getestet. Daraus ging hervor, daß das Grundwasserstockwerk in der Lage ist, diese Anforderungen selbst bei einer relativ begrenzten Verteilung von Brunnen zu erfüllen, wodurch die Kosten von Rohrleitungen auf ein Mindestmaß gesenkt werden. Die Überwachung von Wasserstandsänderung hinsichtlich veränderlicher Abwasserablaßraten wurde dazu verwendet, die Bewegungszeit des Schmutzstoffs und die Speicherung im Grundwasserstockwerk zu schätzen. Das Verständnis und die Verhältnisse zwischen Anreicherung, Schöpfung und Grundwasserqualität wurde durch die numerische Analyse der historischen Qualitäts- und Quantitätsdaten sehr erweitert. Die Ergebnisse der im Feld und im Büro durchgeführten Untersuchungen im Einblick auf diese und andere Stellen sollen zur Ausarbeitung besserer Richtlinien für die Bewirtschaftung von Grundwasserstockwerken verwendet werden.

Abstract

The groundwater resources of the Folkestone Beds aquifer of the Lower Greensand succession (Creteceous) at Hardham, Sussex have been developed in conjunction with surface water abstraction from the River Rother since 1964. The aquifer and river are hydraulically connected. When the aquifer is at full storage it contains approximately 164 x 10 6 m3. Average natural recharge to the aquifer is approximately 14 x 10 3 m3/d. The mean daily flow of the River Rother is 435 x 10 3 m3/d; the Standard deviation of ± 370 x 10 3 m3/d gives an indication of the great Variation in flow rate. A progressive increase in groundwater abstraction rate up to 1974 caused a steady decline in water levels throughout the basin. As early as 1968 a series of artificial recharge experiments were initiated to determine the effects of recharging untreated river water through lagoons. These experiments were finally concluded in 1974. However the experimental programme has since been extended to consider the possibilities for both lagoon and borehole recharge of primary and secondary treated river water respectively. The aim of these experiments is to determine the effectiveness of the various recharge techniques and to derive and compare capital and operating costs; information which is not yet available. In order to evaluate the potential of the Hardham resource as part of a regional water supply scheme, rather than solely as a local supply source, two mathematical models were developed. A lumped-parameter Simulation model of the river/aquifer System was developed to optimise the design at different demand levels of treatment plant capacities and artificial recharge requirements, and to determine the overall operating policies. This optimisation model uses daily historical river flow data. A finite difference groundwater model was also developed as an aid to understanding the aquifer System, and to check the feasibility of designs and policies arrived at by the optimisation model. (The latter model has only a simplistic representation of the aquifer.) The model was calibrated using historical data on water levels at twenty-two observation and abstraction wells for the period 1964-77, although many of the records were incomplete. Further information on aquifer properties and water levels was required for several areas of the basin previously undeveloped. This resulted in a number of observation boreholes being drilled to penetrate the aquifer fully; core and cutting samples from these boreholes were studied in detail by lithological logging, grain-size analysis and using thin-sections. Samples were also measured for porosity, specific yield and permeability in order to obtain a fuller understanding of variations in aquifer parameters over the area. The optimisation model results have shown that the resource is capable of meeting a maximum demand of approximately 200 x 10 3 m3/d. The feasibility of the Optimum designs and operating policies, determined at two demand levels of 80 and 150 x 10 3 m3/d have been tested on the groundwater model over the 1972-76 drought period. This has shown that the aquifer is capable of meeting these demands even with a relatively restricted distribution of wells, thus minimising pipeline costs.

Keywords

SandstoneCretaceousaquifermultilayer Systemriverartificial groundwater rechargewater supplymathematical model London Basin (Sussex)