Numerical modeling of groundwater in Kathmandu Valley, Nepal

Abstract

Foi desenvolvido um modelo numérico tridimensional de fluxo subterrâneo do vale de Katmandu (capital do Nepal) para avaliar o impacto da bombagem de água subterrânea sobre o padrão do fluxo de água subterrânea. Devido à escassez e contaminação da água de superfície, as águas subterrâneas constituem na região a principal fonte de água para abastecimento doméstico, agrícola e mesmo industrial. No entanto, apesar da importância local das águas subterrâneas, a hidrogeologia do vale de Katmandu ainda não se encontra bem estudada. Sabe-se que devido à recarga limitada e à captação não regulamentada de águas subterrâneas, o nível piezométrico da região tem decaído rapidamente, para valores que revelam a não sustentabilidade da captação deste recurso de água. Dados geológicos e hidrogeológicos foram integrados para desenvolver um modelo hidrogeológico conceptual do sistema aquífero do vale de Katmandu, que foi a base para o desenvolvimento do modelo numérico. O sistema aquífero foi modelado numericamente utilizando o programa MODFLOW 4.2, em estado estacionário e definindo três camadas, duas correspondentes ao aquífero da base e ao aquífero mais superficial, e a terceira a um nível de baixa condutividade hidráulica e com um comportamento de aquitardo. Foi utilizado o programa MODPATH para simular os sentidos e direcção preferenciais de fluxo subterrâneo. A área total do modelo é de cerca de 327 km2 e foi dividida em células de aproximadamente 18,330 m2. Os limites do modelo foram delimitados com com base em mapas topográficos e o modelo digital do terreno extraído a partir de uma imagem raster. Os parâmetros hidráulicos do sistema aquífero foram atribuídos com base nos valores de estudos anteriores e foram ajustados durante a calibração do modelo. O mecanismo de recarga foi considerado como principal entrada directa de água no aquífero e dá-se por infiltração da água das chuvas. Utilizou-se o método do balanço hídrico recomendado pela FAO para determinar o valor de recarga anual de água subterrânea. O modelo foi calibrado a partir de valores de níveis água subterrânea medidos nos furos de bombagem e que são monitorizados. A modelação do fluxo subterrâneo em estado estacionário permitiu determinar gradientes hidráulicos, velocidades aparentes e padrões de fluxo no interior da área de estudo. O modelo foi utilizado para simular em regime estacionário as condições de bombagem em 2001 e 2009, pretendendo-se com este exercício demonstrar o impacto da captação de água subterrânea na região. As análises da sensibilidade permitiram determinar quais os parâmetros mais importantes para o modelo e quais aqueles que necessitam de serem melhor estudados. Este modelo de fluxo tem associadas uma série de incertezas resultantes da simplificação de dados de entrada e condições de contorno que foi preciso fazer para poder simular um caso de estudo tão complexo, da utilização de dados com pouca qualidade e da falta de caracterização detalhada das condições hidrogeológicas. É por isso importante ter em conta estas limitações a quando da interpretação e extrapolação dos resultados deste exercício de modelação.

We developed a three dimensional numerical model of groundwater flow in the valley of Kathmandu ( capital of Nepal) to assess the impact of groundwater pumping on the flow pattern of groundwater. The scarcity and contamination of surface water, groundwater in the region constitute the main source of water supply for domestic, agricultural and even industrial. However, despite the importance of local groundwater hydrogeology of the Kathmandu valley is still not well studied. It is known that due to limited recharge and unregulated abstraction of groundwater, the groundwater level in the region has declined rapidly to values that show the unsustainability of the capture of this water resource. Geologic and hydrologic data were integrated to develop a conceptual hydrogeologic model of the aquifer system of the Kathmandu valley, which was the basis for the development of the numerical model. The aquifer system was modeled numerically using the program MODFLOW 4.2, steady state and defining three layers, two corresponding to the aquifer base and the more shallow aquifer, and the third level of a low hydraulic conductivity and with an attitude of aquitard. MODPATH program was used to simulate the sense and direction of preferential groundwater flow. The total area of the model is approximately 327 km2 and is divided into cells of about 18.330 m2. The boundaries were marked with the model based on topographic maps and digital terrain model extracted from a raster image. The hydraulic parameters of the aquifer system were assigned based on values from previous studies and were adjusted during model calibration. The reloading mechanism was considered as the main direct entry of water into the aquifer and occurs by infiltration of rainwater. We used the water balance method recommended by FAO to determine the value of annual recharge of groundwater. The model was calibrated with values measured groundwater levels in boreholes and pumping stations that are monitored. The modeling of groundwater flow in steady state allowed us to determine hydraulic gradients, apparent velocities and flow patterns within the study area. The model was used to simulate steady state conditions of pumping in 2001 and 2009, intending with this exercise to demonstrate the impact of abstraction of groundwater in the region. The sensitivity analysis allowed to determine what the most important parameters for the model and which ones need to be better studied. This flow model has an associated range of uncertainties arising from the simplification of input data and boundary conditions that we had to do in order to simulate a very complex case study, using data with poor quality and lack of detailed characterization of the conditions hydrogeological. It is therefore important to consider these limitations when interpreting and extrapolating the results of this modeling exercise.