Simulation Of Seawater Intrusion With 2D And 3D Models: Nauru Island Case Study

ABSTRACT:

With the advent of large computing capacities during the past few decades, sophisticated models have been developed for the simulation of seawater intrusion in coastal and island aquifers. Currently, several models are commercially available for the simulation of this problem. This paper describes the mathematical basis and application of the SUTRA and HST3D models to simulate seawater intrusion in Nauru Island, in the central Pacific Ocean. A comparison of the performance and limitations of these two models in simulating a real problem indicates that three-dimensional simulation of seawater intrusion with the HST3D model has the major advantage of being able to specify natural boundary conditions as well as pumping stresses. However, HST3D requires a small grid size and short time steps in order to maintain numerical stability and accuracy. These requirements lead to solution of a large set of linear equations that requires the availability of powerful computing facilities in terms of memory and computing speed. Combined results of the two simulation models indicate a safe pumping rate of 400 m³/d for the aquifer on Nauru Island, where additional fresh water is presently needed for the rehabilitation of mined-out land.

RÉSUMÉ:

Grâce à l'avènement d'ordinateurs à grande puissance au cours des dernières années, des modèles très élaborés ont été développés pour simuler l'intrusion marine dans des aquifères littoraux et insulaires. Plusieurs modèles sont disponibles sur le marché pour simuler ce problème. Cet article donne les bases mathématiques et décrit l'application de SUTRA et de HST3D pour simuler l'intrusion marine dans l'île de Nauru (Océan Pacifique central). Une comparaison des performances et des limitations de ces deux modèles dans la simulation d'un problème réel montre que la simulation 3D de l'intrusion marine par HST3D présente le net avantage d'être capable de définir les conditions aux limites naturelles aussi bien que sous l'effet d'un pompage. Toutefois, HST3D exige une maille de petite dimension et des étapes à court pas de temps pour garantir la stabilité numérique et la précision. Ces exigences imposent la résolution d'un important ensemble d'équations linéaires qui nécessitent des facilités de calcul puissant en terme de mémoire et de vitesse de calcul. Les résultats combinés des deux modèles de simulation indiquent un débit de pompage sans problème à 400 m³ par jour pour l'aquifère de l'île de Nauru, où de l'eau supplémentaire est actuellement nécessaire pour la réhabilitation d'une friche minière.

RESUMEN:

Con la aparición de ordenadores con gran capacidad de computación durante las últimas décadas, se han desarrollado modelos sofisticados para la simulación de la intrusión de agua marina en acuíferos costeros y acuíferos ubicados en islas. Actualmente, existen varios modelos comerciales disponibles para la simulación de este problema. Este artículo describe las bases matemaáticas así como la aplicación de SUTRA y HST3D para simular la intrusión de agua marina en la Isla Nauru, en el Océano Pacífico. La comparación de los resultados y las limitaciones de estos dos modelos en la simulación de un problema real indica que la simulación tridimensional de la intrusión de agua marina con el modelo HST3D presenta la ventaja principal de poder especificar condiciones de contorno naturales, así como bombeos. Sin embargo, el HST3D requiere una malla muy refinada e intervalos de tiempo muy pequeños para poder mantener la estabilidad y la precisión numéricas. Estos requierimientos conllevan la resolución de un sistema de ecuaciones de gran tamaño, que a su vez necesita de la disponibilidad de ordenadores con grandes prestaciones en cuanto a memoria y velocidad de cálculo. Los resultados combinados de los dos modelos indican la posibilidad de un bombeo sostenible de 400 m³/día para el acuífero de la Isla de Nauru, en el que en la actualidad se requiere un suministro adicional de agua para la recuperación de una antigua zona de explotación minera.