An approach for hydrogeological data management, integration and analysis

Abstract

The conceptualisation of a groundwater system involves continuous monitoring and evaluation of a large number of parameters (e.g., hydraulic parameters). Regarding hydraulic properties of the aquifers, their quantification is one of the most common problems in groundwater resources and it is recognised that all methods to obtain them have their limitations and are scale dependants. Therefore, it is necessary to have methods and tools to estimate them within a spatial context and to validate their uncertainty when they are applied in an upper scale.

All these datasets collected and generated to perform a groundwater conceptual model are often stored in different scales and formats (e.g., maps, spreadsheets or databases). This continuous growing volume of data entails further improving on how it is compiled, stored and integrated for their analysis.

This thesis contributes to: (i) provide dynamic and scalable methodologies for migrating and integrating multiple data infrastructures (data warehouses, spatial data infrastructures, ICT tools); (ii) to gain higher performance of their analysis within their spatial context; (iii) to provide specific tools to analyse hydrogeological processes and to obtain hydraulic parameters that have a key role in groundwater studies; and (iv) to share open-source and user-friendly software that allows standardisation, management, analysis, interpretation and sharing of hydrogeological data with a numerical model within a unique geographical platform (GIS platform).

A dynamic and scalable methodology has been designed to harmonise and standardise multiple datasets and third-party databases from different origins, or to connect them with ICT tools. This methodology can be widely applied in any kind of data migration and integration (DMI) process, to develop Data warehouses, Spatial Data Infrastructures or to implement ICT tools on existing data infrastructures for further analyses, improving data governance.

A higher performance to obtain hydraulic parameters of the aquifer has been addressed from the development of a GIS-based tool. The interpretation of pumping tests within its spatial context can reduce the uncertainty of its analysis with an accurate knowledge of the aquifer geometry and boundaries. This software designed to collect, manage, visualise and analyse pumping tests in a GIS environment supports the hydraulic parameterization of groundwater flow and transport models.

To enhance the hydraulic parameters quantification, a compilation, revision and analysis of the hydraulic conductivity based on grain size methodologies have been performed. Afterwards, the uncertainty of applying these methods on a larger scale has been addressed and discussed by comparison of the upscaling results with pumping tests.

Finally, a sharing, open-source and user-friendly GIS-based tool is presented. This new generation of GIS-based tool aims at simplifying the characterisation of groundwater bodies for the purpose of building rigorous and data-based environmental conceptual models. It allows to standardise, manage, analyse and interpret hydrogeological and hydrochemical data. Due to its free and open-source architecture, it can be updated and extended depending on the tailored applications.

La conceptualització d’un sistema hidrogeològic implica una continua monitorització i avaluació d’una gran quantitat de paràmetres (e.g., paràmetres hidràulics). Pel que fa als paràmetres hidràulics de l’aqüífer, la seva quantificació és un dels problemes més comuns als estudis hidrogeològics. És àmpliament reconegut que els mètodes per obtenir aquest tipus de paràmetres tenen les seves limitacions i són dependents de l’escala d’anàlisi. Per aquest motiu, cal disposar de mètodes i eines per estimar-los dins del seu context espacial i validar la seva incertesa quan s’apliquen en una escala superior d’anàlisi. Les dades recopilades i generades per realitzar un model conceptual hidrogeològic sovint s'emmagatzemen en diferents escales i formats (e.g., mapes, fulls de càlcul o bases de dades). Aquest volum de dades en continu creixement requereix d'eines i metodologies que millorin la seva compilació i gestió per al seu posterior anàlisi. Les contribucions realitzades en aquesta tesi son: (i) proporcionar metodologies dinàmiques i escalables per migrar i integrar múltiples infraestructures de dades (infraestructures de dades espacials i no espacials, o la implementació d'eines TIC); (ii) obtenir un major rendiment de l'anàlisi hidrogeològic tenint en compte el seu context espacial; (iii) proporcionar eines específiques per analitzar processos hidrogeològics i obtenir paràmetres hidràulics que tenen un paper clau en els estudis d'aigües subterrànies; i (iv) difondre software de codi lliure i de fàcil accés que permeti l'estandardització, gestió, anàlisi, interpretació i intercanvi de dades hidrogeològiques amb un model numèric dins d'una única plataforma de informació geogràfica (SIG). S'ha dissenyat una metodologia dinàmica i escalable per harmonitzar i estandarditzar múltiples conjunts de dades de diferents orígens, o bé per connectar aquestes infraestructures de dades amb eines TIC. Aquesta metodologia pot ser implementada en qualsevol tipus de procés de migració i integració de dades (DMI), per a desenvolupar infraestructures de dades espacials i no espacials, o bé per implementar eines TIC a les infraestructures de dades existents per a anàlisi addicionals; millorant així la governança de les dades. Un major rendiment per obtenir els paràmetres hidràulics de l'aqüífer s'adreça des del desenvolupament d'una eina SIG. La interpretació dels assaigs de bombament dins del seu context espacial, pot reduir la incertesa del seu anàlisi amb un coneixement precís de la geometria i els límits de l'aqüífer. Aquest software dissenyat per recopilar, administrar, visualitzar i analitzar els assaigs de bombament en un entorn GIS, dóna suport a la parametrització hidràulica dels models de flux i transport d'aigües subterrànies. Per millorar la quantificació dels paràmetres hidràulics, es va realitzar una compilació, revisió i anàlisi de la conductivitat hidràulica basada en metodologies de mida de gra. Posteriorment, s'ha considerat i discutit la incertesa d'aplicar aquests mètodes en una escala major comparant els resultats de la millora d'escala amb les proves de bombament. Finalment, es presenta una eina SIG lliure, de codi obert i de fàcil aplicació. Aquesta nova generació d'eines SIG pretenen simplificar la caracterització de les masses d'aigua subterrània amb el propòsit de construir models conceptuals ambientals rigorosos. A més, aquesta eina permet estandarditzar, gestionar, analitzar i interpretar dades hidrogeològiques i hidroquímiques. Donat que la seva arquitectura és de codi lliure i obert, es pot actualitzar i ampliar segons les aplicacions personalitzades que cada usuari requereixi.

La conceptualización de un sistema hidrogeológico implica el continuo monitoreo y evaluación de una gran cantidad de parámetros (e.g., parámetros hidráulicos). Con respecto a los parámetros hidráulicos, su cuantificación es uno de los problemas más comunes en los estudios hidrogeológicos. Es ampliamente reconocido que los métodos para obtener este tipo de parámetros tienen sus limitaciones y son dependientes de la escala de análisis. En este sentido, es necesario disponer de métodos y herramientas para estimarlos dentro de su contexto espacial y validar su incertidumbre cuando se aplican en una escala superior de análisis. Los datos recopilados y generados para realizar un modelo conceptual hidrogeológico a menudo se almacenan en diferentes escalas y formatos (e.g., mapas, hojas de cálculo o bases de datos). Este volumen de datos en continuo crecimiento requiere de herramientas y metodologías que mejoren su compilación y gestión para su posterior análisis. Las contribuciones realizadas son: (i) proporcionar metodologías dinámicas y escalables para migrar e integrar múltiples infraestructuras de datos (ya sean infraestructuras de datos espaciales y no espaciales, o la implementación de herramientas TIC); (ii) obtener un mayor rendimiento del análisis hidrogeológico teniendo en cuenta su contexto espacial; (iii) proporcionar herramientas específicas para analizar procesos hidrogeológicos y obtener parámetros hidráulicos que desempeñan un papel clave en los estudios de aguas subterráneas; y (iv) difundir software de código abierto y de fácil acceso que permita la estandarización, gestión, análisis, interpretación e intercambio de datos hidrogeológicos con un modelo numérico dentro de una única plataforma de información geográfica (SIG). Se ha diseñado una metodología dinámica y escalable para armonizar y estandarizar múltiples conjuntos de datos de diferentes orígenes, o bien para conectar éstas infraestructuras de datos con herramientas TIC. Esta metodología puede ser implementada en cualquier tipo de proceso de migración e integración de datos (DMI), para desarrollar infraestructuras de datos espaciales y no espaciales, o para implementar herramientas TIC en las infraestructuras de datos existentes para análisis adicionales; mejorando así la gobernanza de los datos. Un mayor rendimiento para obtener los parámetros hidráulicos del acuífero se ha abordado desde el desarrollo de una herramienta SIG. La interpretación de ensayos de bombeo dentro de su contexto espacial, puede reducir la incertidumbre de su análisis con un conocimiento preciso de la geometría y los límites del acuífero. Este software diseñado para recopilar, administrar, visualizar y analizar las pruebas de bombeo en un entorno SIG, apoya la parametrización hidráulica de los modelos de flujo y transporte de aguas subterráneas. Para mejorar la cuantificación de los parámetros hidráulicos, se ha realizado una compilación, revisión y análisis de la conductividad hidráulica basada en metodologías de tamaño de grano. Posteriormente, se ha considerado y discutido la incertidumbre de aplicar estos métodos en una escala mayor comparando los resultados de la mejora de escala con los obtenidos en ensayos de bombeo. Finalmente, se presenta una herramienta SIG libre, de código abierto y de fácil aplicación. Esta nueva generación de herramienta SIG pretende simplificar la caracterización de los cuerpos de agua subterránea con el propósito de construir modelos conceptuales ambientales rigurosos. Además, esta herramienta permite estandarizar, gestionar, analizar e interpretar datos hidrogeológicos e hidroquímicos. Gracias a su arquitectura de código libre y abierto, se puede actualizar y ampliar según las aplicaciones personalizadas que cada usuario requiera