Modeling the impact of rainfall variations and management interventions on the groundwater regime of a hard-rock terrain in central India

Abstract

Realistic assessment and prediction of groundwater resources, at appropriate scales, are crucial for proper management and systematic development of groundwater in India. An equivalent porous medium (EPM)-based groundwater flow model is implemented for a typical hard-rock aquifer in central India, to provide quantification, analysis and prediction of groundwater balance components. This research also provides refined estimates of aquifer parameters, recharge factors and newer insights into groundwater dynamics. It is observed that evaporative losses and effluent seepage of groundwater to rivers jointly account for ~20% of the annual recharge, which is significantly higher than most prior regional assessments. Evaluation of groundwater resource use under a business-as-usual scenario shows annual groundwater draft to exceed recharge by 13% in the year 2020–2021, and under a worst-case scenario (with prevailing drought conditions) this deficit is predicted to increase to 30%. However, with suitable recharge augmentation and demand control measures, in the best-case scenario, groundwater draft can be contained to ~90% of annual recharge, thereby ensuring long-term sustainability of groundwater resources. Importantly, this study reveals that demand control measures can be more effective than recharge augmentation measures.

Résumé

Une évaluation et une prévision réalistes des ressources en eaux souterraines, à des échelles appropriées, sont cruciales pour une bonne gestion et une exploitation systématique des eaux souterraines en Inde. Un modèle d’écoulement des eaux souterraines basé sur un milieu poreux équivalent (MPE) est mis en œuvre pour un aquifère typique de contexte de socle du centre de l’Inde, afin de fournir une quantification, analyse et prévision des composants du bilan des eaux souterraines. Cette recherche fournit également des estimations raffinées des paramètres de l’aquifère, des facteurs de recharge et de nouvelles informations sur la dynamique des eaux souterraines. Il a été observé que les pertes par évaporation et l’écoulement d’eaux souterraines par suintement vers les rivières représentent ensemble ~20% de la recharge annuelle, ce qui est nettement supérieur à la plupart des évaluations régionales antérieures. L’évaluation de l’utilisation des ressources en eaux souterraines dans le cas d’un scénario de statu quo montre que le prélèvement des eaux souterraines excédera la recharge de 13% pour les années 2020–2021, et dans le cas d’un scénario le plus pessimiste (avec des conditions de sécheresses prépondérantes), ce différentiel devrait atteindre 30%. Cependant, avec une augmentation appropriée de la recharge et des mesures de contrôle de la demande en eau, dans le meilleur des cas, le prélèvement des eaux souterraines pourrait correspondre à environ 90% de la recharge annuelle, assurant ainsi la durabilité à long terme des ressources en eaux souterraines. Surtout, cette étude révèle que les mesures de contrôle de la demande peuvent être plus efficaces que les mesures d’augmentation de la recharge.

Resumen

La evaluación y la predicción realistas de los recursos hídricos subterráneos, a las escalas apropiadas, son cruciales para una adecuada gestión y un desarrollo sistemático de las aguas subterráneas en la India. Se aplica un modelo de flujo subterráneo basado en el medio poroso equivalente (EPM) para un acuífero típico de roca dura en la India central, con el fin de cuantificar, analizar y predecir los componentes del balance de las aguas subterráneas. Esta investigación también proporciona estimaciones precisas de los parámetros del acuífero, los factores de recarga y nuevos conocimientos sobre la dinámica de las aguas subterráneas. Se observa que las pérdidas por evaporación y por la efluencia de las aguas subterráneas hacia los ríos representan ~20% de la recarga anual, lo que es significativamente mayor que la mayoría de las evaluaciones regionales anteriores. La evaluación del uso de los recursos de aguas subterráneas en una hipótesis sin cambios muestra que la extracción anual superará la recarga en un 13% en el año 2020-2021, y en la hipótesis más desfavorable (con condiciones de sequía imperantes) se prevé que este déficit aumente hasta el 30%. Sin embargo, con un aumento adecuado de la recarga y medidas de control de la demanda, en el mejor de los casos, la extracción de agua subterránea puede contenerse hasta ~90% de la recarga anual, asegurando así la sostenibilidad a largo plazo de los recursos hídricos subterráneos. Es importante señalar que este estudio revela que las medidas de control de la demanda pueden ser más eficaces que las medidas de aumento de la recarga.

摘要

适宜尺度上的地下水资源现状评估和预测, 对于印度正确管理和系统开发地下水至关重要。针对印度中部典型的硬岩含水层, 开发了基于等效多孔介质(EPM)的地下水流模型, 以此对地下水均衡成分进行定量化, 分析和预测。这项研究还进行了含水层参数和补给系数的精细估计以及对地下水动力机制的最新见解。据研究观测, 蒸发损失和地下水向河流的渗漏共同构成了年补给量的约20%, 大大高于大多数先前的区域评估结果。正常情景下地下水资源评价表明, 到2020年至2021年, 每年的地下水消耗量将超过补给量的13%, 在最坏情况下(持续干旱情景), 预计地下水的赤字将增加到30%。然而, 通过适宜的补给增加和需求控制措施, 在最佳情况下, 可以将地下水消耗控制在年补给量的90%左右, 以此将确保地下水资源的长期可持续性。重要的是, 本研究表明, 需求控制措施可能比补给措施更为有效。

Resumo

A avaliação realista e a previsão dos recursos hídricos subterrâneos, em escalas apropriadas, são cruciais para o gerenciamento adequado e o desenvolvimento sistemático das águas subterrâneas na Índia. Um modelo de fluxo baseado em água subterrânea em meio poroso equivalente (MPE) é implementado para um aquífero de rocha cristalina típico no centro da Índia, para fornecer quantificação, análise e previsão de componentes do equilíbrio da água subterrânea. Esta pesquisa também fornece estimativas refinadas dos parâmetros do aquífero, fatores de recarga e informações mais recentes sobre a dinâmica das águas subterrâneas. Observa-se que as perdas por evaporação e a infiltração de efluentes das águas subterrâneas nos rios representam conjuntamente ~ 20% da recarga anual, o que é significativamente maior do que a maioria das avaliações regionais anteriores. A solução de avaliação do uso de recursos de águas subterrâneas em um cenário de negócios usual mostra que a retirada anual de águas subterrâneas excede em 13% a recarga no ano 2020-2021 e, no pior cenário (com condições de seca prevalecentes), esse déficit deve aumentar 30% No entanto, com medidas adequadas de aumento da recarga e controle de demanda, no melhor dos casos, a corrente de água subterrânea pode ser contida em ~ 90% da recarga anual, garantindo assim a sustentabilidade a longo prazo dos recursos de água subterrânea. É importante ressaltar que este estudo revela que medidas de controle de demanda podem ser mais eficazes que medidas de aumento de recarga.