Integrating finite-element-model and remote-sensing data into SWAT to estimate transit times of nitrate in groundwater

Abstract

This study integrates a water-table estimator into the hydrologic model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) to simulate transit times of nitrate in groundwater for Fish River basin in Alabama, USA. Three water-table estimators were developed using 3D finite-element-modeling data and spatiotemporally dynamic remotely sensed data. Initially, the study estimates spatiodynamic groundwater levels by coupling the spatial percolation from SWAT with a finite element model. The study then improved the spatial resolution of Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) remote sensing data by the inverse distance weighted technique and generated the spatial groundwater levels. Next, empirical equations describing the relationship between the soil moisture and groundwater levels were obtained based on the SWAT-modeled groundwater levels and remotely sensed soil moisture contents. The results showed that the correlations of the groundwater levels between real stationed data and those obtained from the finite element method, GRACE approximations and the soil-moisture function were 0.691, 0.335 and 0.652 respectively. The spatiodynamic-groundwater-level estimates obtained from the best performing integrated model (SWAT and finite element model) were used to predict transit times of nitrate in groundwater with the aid of remotely sensed data. The result indicates that the transit time increases progressively from 1 year at 0.2-m depth of soil layer to 23 years at 0.80-m depth of soil layer in the Fish River basin. The transit times were positively related to the amount of spatially contributed nitrate in the groundwater that flows into river reaches in the basin.

Résumé

Cette étude intègre un estimateur du niveau de la nappe dans le modèle hydrologique SWAT (Soil and Water Assessment Tool) afin de simuler les temps de transit des nitrates dans les eaux souterraines du bassin de la Fish River, Alabama, USA. Trois estimateurs du niveau de nappe ont été développés en utilisant des données de modélisation 3D par éléments finis et des données spatio-temporelles de télédétection dynamiques. Initialement, l’étude estime la dynamique spatiale des niveaux d’eau souterraine en couplant l’infiltration spatialement distribuée issue de SWAT avec un modèle en éléments finis. L’étude a ensuite amélioré la résolution spatiale des données satellitaires GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) par une technique de pondération inverse à la distance et a généré des niveaux d’eau souterraine spatialisés. Ensuite, des équations empiriques décrivant la relation entre l’humidité du sol et les niveaux d’eau souterraine ont été obtenus sur la base des niveaux d’eau simulés avec SWAT et les taux d’humidité obtenus par télédétection. Les résultats montrent que les corrélations des niveaux d’eau souterraine mesurés au niveau de piézomètres et celles obtenues avec la méthode par éléments finis, les approximations GRACE et la fonction humidité du sol sont de 0.691, 0.335 et 0.652 respectivement. Les estimations spatiotemporelles des niveaux d’eau souterraine obtenues avec le modèle intégré offrant la meilleure performance (SWAT et éléments finis) ont été utilisées pour prédire les temps de transit des nitrates dans les eaux souterraines avec l’aide de données de télédétection. Le résultat indique que le temps de transit augmente progressivement d’un an à 0.2 m de profondeur dans la couche de sol, à 23 ans à 0.8 m de profondeur dans la couche de sol dans le bassin de Fish River. Les temps de transit sont corrélés positivement avec la somme des contributions spatiales en nitrates dans les eaux souterraines qui alimentent les tronçons de la rivière dans le bassin.

Resumen

Este estudio integra un estimador de la capa freática en el modelo hidrológico SWAT (Soil and Water Assessment Tool) para simular los tiempos de tránsito del nitrato en las aguas subterráneas para la cuenca del río Fish en Alabama, Estados Unidos. Se desarrollaron tres estimadores de la capa freática utilizando datos de modelización de elementos finitos en 3D y datos dinámicos espacio-temporales de teledetección. Inicialmente, el estudio estima los niveles de las aguas subterráneas espacialmente dinámicas acoplando la infiltración espacial obtenida mediante el SWAT con un modelo de elementos finitos. A continuación, el estudio mejoró la resolución espacial de los datos de teleobservación del Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mediante la técnica de ponderación inversa de la distancia y generó los niveles espaciales de las aguas subterráneas. A continuación, se obtuvieron ecuaciones empíricas que describían la relación entre la humedad del suelo y los niveles de las aguas subterráneas sobre la base de los niveles de aguas subterráneas modelados por el SWAT y los contenidos de humedad del suelo detectados por teleobservación. Los resultados mostraron que las correlaciones de los niveles entre los datos estacionarios reales y los obtenidos por el método de los elementos finitos, las aproximaciones GRACE y la función de la humedad del suelo eran 0.691, 0.335 y 0.652 respectivamente. Se utilizaron las estimaciones espaciales y dinámicas del nivel de las aguas subterráneas obtenidas con el modelo integrado de mejor rendimiento (SWAT y modelo de elementos finitos) para predecir los tiempos de tránsito del nitrato en las aguas subterráneas con la ayuda de datos obtenidos por teledetección. El resultado indica que el tiempo de tránsito aumenta progresivamente de un año a 0.2 m de profundidad de la capa de suelo a 23 años a 0.80 m de profundidad de la capa de suelo en la cuenca del río Fish. Los tiempos de tránsito se relacionaron positivamente con la cantidad de nitrato aportado espacialmente en las aguas subterráneas que fluyen hacia los valles de los ríos en la cuenca.

摘要

这项研究将水位估算方法集成到水文模型SWAT(土壤和水评估工具)中,以模拟美国阿拉巴马州Fish河流域地下水中硝酸盐的运移时间。使用三维有限元建模数据和时空动态遥感数据开发了三种地下水位估算方法。刚开始,该研究通过将SWAT的空间渗流与有限元模型耦合来估算时空变化的地下水位。然后,研究通过反距离加权技术提高了重力恢复和气候实验(GRACE)遥感数据的空间分辨率,并生成了空间分布的地下水位。接下来,基于SWAT模型的地下水位和遥感的土壤水分含量,获得了描述土壤湿度与地下水位之间关系的经验方程。结果表明,实际测站数据与有限元法,GRACE近似法和土壤水分函数获得的地下水位之间的相关性分别为0.691、0.335和0.652。从最佳综合模型(SWAT和有限元模型)获得的时空地下水位估算值可用于借助遥感数据预测地下水中硝酸盐的运移时间。结果表明,Fish河流域运移时间从土层深度0.2 m处的一年逐渐增加到土层深度0.80 m处的23年。运移时间与流入流域河流段面的地下水中空间分布贡献的硝酸盐量成正相关。

Resumo

Este estudo integra um estimador de lençol freático ao modelo hidrológico SWAT (Ferramenta de Avaliação de Solo e Água) para simular tempos de trânsito de nitrato nas águas subterrâneas da bacia do Rio Fish no Alabama, EUA. Três estimadores de lençol freático foram desenvolvidos usando dados de modelagem de elementos finitos 3D e dinâmica espacial e temporal via sensoriamento remoto. Inicialmente, o estudo estima os níveis dinâmicos espaciais das águas subterrâneas acoplando a percolação espacial do SWAT com o método de elementos finitos. O estudo melhorou a resolução espacial dos dados do Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) pela técnica de distância inversa ponderada e gerou os níveis espaciais das águas subterrâneas. Em seguida, as equações empíricas que descrevem a relação entre a umidade do solo e os níveis de água subterrânea foram obtidas com base nos níveis de água subterrânea modelados no SWAT e no conteúdo de umidade do solo detectado remotamente. Os resultados mostraram que as correlações dos níveis de água subterrânea entre os dados reais pontuais e os obtidos pelo método dos elementos finitos, aproximações do GRACE e a função da umidade do solo foram de 0.691, 0.333 e 0.52, respectivamente. As estimativas dinâmicas espaciais do nível da água subterrânea obtidas a partir do modelo integrado de melhor desempenho (SWAT e método dos elementos finitos) foram usadas para prever os tempos de trânsito de nitrato nas águas subterrâneas com o auxílio de dados detectados remotamente. O resultado indica que o tempo de trânsito aumenta progressivamente de um ano a 0.2 m de profundidade da camada do solo para 23 anos a 0.80 m de profundidade na bacia do Rio Fish. Os tempos de trânsito foram positivamente relacionados à quantidade de nitrato espacialmente contribuído nas águas subterrâneas que flui para os alcances do rio na bacia.