Aquifer transmissivity estimation using different interpolation methods (Case study: Damaneh-Daran Aquifer)

Document Type : Research paper

Authors

1 PhD Student of water resources engineering and management, Faculty of Civil Engineering and Transportation, University of Isfahan, Iran.

2 Associate Professor, Faculty of Civil Engineering and Transportation, University of Isfahan, Iran.

3 Assistant Professor, Faculty of Civil Engineering and Transportation, University of Isfahan, Iran.

10.22034/hydro.2022.13878

Abstract

Aquifer transmissivity is one of the important parameters for groundwater quantitative and qualitative studies and modeling. Due to the limited number of pumping tests or the ambiguity in the accuracy of the measured values in some places, it is necessary to estimate the transmissibility value using the available information. In this research, the values of this parameter are determined using different interpolation methods including Inverse Distance Weighted (IDW), ordinary kriging (by use of circular, exponential, Gaussian and spherical variogram), universal kriging (include linear and quadratic trend), spline (regularized and tension) and trend (include linear and logistic regression) Therefore, here, the transmissivity coefficient of the Damaneh-Daran aquifer, as a case study, is determined and the results are presented and compared. Comparison of the results shows that performing interpolation with Regularized Spline leads to the lowest accuracy and using Ordinary Kriging method in power mode leads to the highest computational accuracy (with 20.11% relative error). However, this method is not effective for interpolating points located in the boundary areas of the study state. In contrast, the IDW method with a maximum of 21.36% relative error can be used for interpolation in all parts of the region. Finally, in order to evaluate the performance of this method, the Damaneh-Daran aquifer is simulated based on the results of IDW method as initial values and using GMS software. By comparing the results obtained from calibration of the aquifer with values obtained from interpolation, the maximum relative error value is 22.22% and the average relative error at the aquifer level is 15.69%. Also, with a significant reduction in the number of iterations in the calibration phase of the model, the computational cost is significantly reduced.

Keywords

References

آبدار اصفهانی، س.، کلانتری، ن.، 1392. بررسی هیدروژئولوژیکی سفره آب زیرزمینی دشت قم. سی و دومین نشست و اولین کنگره بین‌المللی علوم زمین، بررسی زمین‌شناسی و اکتشافات معدنی ایران، تهران، ایران، 42-50.
استواری، ی.، بیگی هرچگانی، و.، داودیان، ع.، 1391. بررسی تغییرات مکانی نیترات در آب زیرزمینی دشت لردگان. مدیریت آب و آبیاری، 2(1): 55-67.
المدرسی، س. ع.، مقدم، ع.، پیروی، ر.، 1398. انتخاب بهترین مدل درون‌یابی قطعی و زمین‌آماری جهت بررسی تغییرات مکانی فلوراید در آبخوان یزد با استفاده از سیستم اطلاعات جغرافیایی. علوم و تکنولوژی محیط‌زیست، 21(10): 65-78.
بارانی، س.، پاپن، پ.، الباجی، م.، 1392. تجزیه‌وتحلیل تغییرات مکانی هدایت هیدرولیکی خاک در منطقه زیدون. چهارمین همایش ملی مدیریت شبکه‌های آبیاری و زهکشی، دانشگاه شهید چمران اهواز، دانشکده مهندسی علوم آب، 2038-2025.
پاسیار، ع.، انصاری، ع.، 1396. بررسی هدایت هیدرولیکی و ضریب قابلیت انتقال آب با استفاده از مقاومت ویژه الکتریکی و آزمایش پمپاژ در دشت پیرانشهر. پژوهش آب، 11(4): 13-21.
تقی‌زاده، ر.، محمودی، ش.، خزایی، ح.، حیدری، ا.، 1387. مطالعه‌ تغییرات مکانی شوری آب‌های زیرزمینی با استفاده از زمین‌آمار (مطالعه‌ موردی: رفسنجان). دومین همایش تخصصی مهندسی محیط‌زیست، دانشگاه تهران، دانشکده‌ محیط‌زیست، تهران، ایران، 3856-3867.
حسینی، م.، قهرمان، ب.، عسکری، ا.، 1382. تخمین هدایت الکتریکی و سولفات موجود در آب زیرزمینی مشهد با استفاده از کریجینگ. ششمین کنفرانس بین‌المللی مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران، 1-8.
خالدی، م.، مجنونی هریس، ا.، فاخری فرد، ا.، 1397. تعیین هدایت هیدرولیکی بر اساس قابلیت انتقال تصحیح شده و تأثیر تراکم چاه‌ها و مازاد برداشت آب بر آبخوان دشت شبستر. هیدروژئولوژی، 3(2): 19-32.
دشتی، ز.، رضایی، م.، آزادی، ا.، ارجمند شریف، م.، 1398. برآورد ضرایب هیدرودینامیک آبخوان دشت زوزن با استفاده از داده‌های سونداژ الکتریکی. علوم مهندسی و آبخیزداری، 13(44): 38-47.
دلبری، م.، خیاط خلقی، م.، مهدیان، م. ح.، 1383. ارزیابی روش‌های زمین‌آمار در برآورد هدایت هیدرولیکی خاک در مناطق شیب آب و پشت آب پایین دشت سیستان. مجله علوم کشاورزی ایران، 35(1): 1-12.
صفوی، ح.، 1398. هیدرولوژی مهندسی. چاپ چهارم، انتشارات ارکان دانش (اصفهان)، 704 ص.
طاهری تیزرو، ع.، عابدینی، ش.، کمالی، م.، 1396. برآورد پارامترهای هیدرولیکی لایه‌های آبدار با روش ژئوالکتریک (مطالعه موردی: دشت چهاردولی). هیدروژئولوژی، 2(1): 85-101.
عبدالهی منصورخانی، م.، محمدزاده، ح.، امینی، م.، عزیزی، ف.، 1398. ارزیابی تغییر مکانی کیفیت و تعیین شبکه‌ی بهینه‌ی پایش آب زیرزمینی دشت شهرکرد با روش‌های زمین‌آمار. پژوهش‌های آبخیزداری، 32(2): 60-78.
عزیزی، ف.، محمدزاده، ح.، 1395. برآورد پارامترهای هیدروژئولوژیک با استفاده از روش‌های ژئوالکتریک و مقاومت و معادلات تجربی. مجله دانشگاه تربیت معلم، 3(1): 191-202.
علیزاده، ا.، 1398. اصول هیدرولوژی کاربردی. چاپ چهل و چهارم، دانشگاه امام رضا (ع) (مشهد)، 963 ص.
محمدی، ص.، سلاجقه، ع.، مهدودی، م.، باقری، ر.، 1391. بررسی تغییرات مکانی و زمانی سطح آب زیرزمینی دشت کرمان با استفاده از روش زمین‌آماری مناسب (طی یک دوره آماری 10 ساله، 1375 – 13۸5). فصلنامه‌ علمی –پژوهشی تحقیقات مرتع و بیابان ایران، 19(1): 60-71.
میرحاجی، ن.، اصغری‌مقدم، ا.، 1384. محاسبه و بسط ضریب قابلیت انتقال آبخوان دشت چالدران با استفاده از داده‌های ظرفیت ویژه و ژئوفیزیک. بیست‌و‌چهارمین سمپوزیوم علوم زمین، سازمان زمین‌شناسی کشور، تهران، ایران، 1-10.
وزارت نیرو، شرکت مدیریت منابع آب ایران، 1394. بهنگام‌سازی بیلان منابع آب محدوده‌های مطالعاتی حوزه آبریز گاوخونی منتهی به سال آبی 90-1389. جلد پنجم: ارزیابی منابع آب، ضمیمه شماره 14: گزارش بیلان منابع آب محدوده مطالعاتی دامنه و داران (کد 4214).
یاری، ر.، کوچک‌زاده، م.، 1387. مقایسه‌ روش‌های زمین‌آماری برای پیش‌بینی مکانی شوری آب زیرزمینی. سومین کنفرانس مدیریت منابع آب ایران، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران، 5215-5227.
Akaolisa, C. 2006. Aquifer Transmissivity and Basement Structure Determination Using Resistivity Sounding at Jos Plateau state Nigeria. Environmental Monitoring and Assessment. 114: 27- 34.
Asfahan, J. 2007. Neogene Aquifer Properties Specified through the Interpretation of Electrical Sounding Data, Salamiyeh Region. Central Syria. Hydrological Processes; 21: 2934- 2943.
Bello, A. A., Makinde, V. 2007. Delineation of the Aquifer in the South-Western Part of the NupeBasin, Kwara State, Nigeria. Journal of American Science; 3 (2): 36-44.
Douaoui, A.E.K., Nicolas, H., Walter, C. 2006. Detecting Salinity hazard within a semi-arid context by means of combining soil and remote- sensing data. Geoderama, 134: 217-230.
Ebong, E. D., Akpan, A. E., Onwuegbuche, A. A. 2014. Estimation of geo hydraulic parameters from fractured shales and sandstone aquifers of Abi (Nigeria) using electrical resistivity and hydrogeologic measurements. Journal of African Earth Sciences, 96: 99-109.
Evans, S., Jones, N., Williams, G., Ames, D., Nelso, J. 2020. Groundwater Level Mapping Tool: An open source web application for assessing groundwater sustainability. Environmental Modelling and Software, 131: 104782.
Gabrysch, R. K. 1968. The relationship between specific capacity and aquifer transmissibility in the Houston area, Texas. Groundwater, 6 (4): 9-14.
George, N. J., Ibuot, J. C. 2015. Obiora D N. Geo electro hydraulic parameters of shallow sandy aquifer in Itu, Akwa Ibom State (Nigeria) using geoelectric and hydrogeological measurements. Journal of African Earth sciences, 110: 52-63.
Gorai, A., Kumar, S. 2013. Spatial Distribution Analysis of Groundwater Quality Index Using GIS: A Case Study of Ranchi Municipal Corporation (RMC) Area. Geoinfor Geostat: An Overview, 1(2): 1-11.
Gupta, N., Rudra, R.P., Parkin, G. 2006. Analysis of spatial variability of hydraulic conductivity at field scale. Canadian Biosystems Engineering/Le génie des biosystèmes au Canada, 48: 1.55 - 1.62.
Hall, Charles, A., Meyer, Weston, W. 1976. Optimal Error Bounds for Cubic Spline Interpolation. Journal of Approximation Theory, 16 (2): 105–122
Harry, T. A., Ushie, F. A., Agbasi, O. E. 2018. Hydraulic and Geoelectric relationships of Aquifers Using Vertical Electrical Sounding (VES) in parts of Obudu, Southern Nigeria. An international scientific journal, 94(2): 261-275.
Heine, G. W. 1986. A Controlled Study of Some Two-Dimensional Interpolation Methods. COGS Computer Contributions, 3 (2): 60–72.
Myers, D. 2008. Co-Kriging– new developments. Journel A, Marechal A (eds) Geostatistics for natural resource characterisation Part 1, Dordrecht, Reidel, 28: 295–305.
Nielson, G., FRUNK, P. 2010. Scattered data modeling. IEEE Computer Graphics and Applications, 13: 60–70.
Ohmer, M., Liesch, T., Goeppert, N., Goldscheider, N. 2017. On the optimal selection of interpolation methods for groundwater contouring: An example of propagation of uncertainty regarding inter-aquifer exchange, Advances in Water Resources, 109: 121-132.
Omosuyi, G. O., Adeyemo, A., Adegoke, A. O. 2007. Investigation of Groundwater Prospect Using Electromagnetic and Geoelectric Sounding at Afunbiowo, Near Akure, Southwestern Nigeria. The Pacific Journal of Science and Technology, 8(2): 172- 182.
Opara, A. I., Onu, N. N., Okereafor, D. U. 2012. Geophysical Sounding for the Determination of Aquifer Hydraulic Characteristics from Dar-Zurrock Parameters: Case study of Ngor Okpala, Imo River Basin, Southeastern Nigeria. The Pacific Journal of Science and Technology, 13 (1): 590-603.
Oseji, J. O., Atakpo, E. A., Okolie, E. C. 2005. Geoelectric Investigation of the Aquifer Characteristics and Groundwater Potential in Kwale, Delta state, Nigeria. J. Applied Sci. Environ. Mgt, 9 (1): 157-160.
Patriarche, D., Clara Castro, M., Pierre Goovaerts. 2005. Estimating Regional Hydraulic Conductivity Fields A Comparative Study of Geostatistical Methods. Mathematical Geology, 37 (6): 587-613.
Royle, A. G., Clausen, F. L., Frederiksen, P. 1981. Practical Universal Kriging and Automatic Contouring. Geoprocessing, 1: 377–394.
Safarbeiranvnd, M., Amanipoor, H., Battaleb-Looie, S., Ghanemi, K., Ebrahimi, B. 2018. Quality Evaluation of Groundwater Resources using Geostatistical Methods (Case Study: Central Lorestan Plain, Iran). Water Resource Management, 32: 3611–3628.
Sattar, G. S., Keramat, M., Shahid, S. 2016. Deciphering transmissivity and hydraulic conductivity of the aquifer by vertical electrical sounding (VES) experiments in Northwest Bangladesh. Applied Water Science, 6 (1): 1-11.
Sepaskhah, A.R., Ataee, J. 2004. A Simple model to determine saturated hydraulic conductivity for large-scale subsurface drainage. Biosystems Engineering, 89(4): 505-513.
Taheri Tizro, A., Voudouris, K., Basami, Y. 2012. Estimation of porosity and specific yield by application of geoelectrical method–a case study in western Iran. Journal of Hydrology, 454: 160-172.
Wu, C., Mossa, J., Mao, L., Almulla, M. 2019. Comparison of different spatial interpolation methods for historical hydrographic data of the lowermost Mississippi River. Annals of GIS, 25(2): 133-151.
Yao, L., Huo, Z., Feng, S., Mao, X., Kang, S., Chen, J., Xu, J., Steenhuis, T. 2014. Evaluation of spatial interpolation methods for groundwater level in an arid inland oasis, northwest China. Environmental Earth Science, 71:1911-1924.
YueSun, A., Shaozhong Kang, A., Li, F., Zhang, L. 2009. Comparison of interpolation methods for depth to groundwater and its temporal and spatial variations in the Minqin oasis of northwest China. J. Environ. Model. and Software, (24): 1163–1170.
Zaiming, Z., Guanghui, Z., Mingjiang, Y., and W. 2012. Spatial variability of the shallow groundwater level and its chemistry characteristics in the low plain around the Bohai sea. North Chaina Environmental Monitoring and Assessment 184 (6): 3697- 3710.
Hydrogeology
Volume 7, Issue 1
Publisher
September 2022
Pages 91-104

Files

Share

How to cite

Statistics