Novel algorithms for geological and hydrogeological assessments

Abstract

La modelització numèrica d’aigües subterrànies és essencial per a la gestió sostenible de l’aigua, ja que ajuda a comprendre el comportament dels recursos d’aigua subterrània i la seva interacció amb les aigües superficials. Aquests models poden predir els impactes de la manipulació de l’aigua en l’entorn, ajudar en el desenvolupament de escenaris de gestió sostenible i comprendre els efectes del canvi climàtic en els recursos d’aigua subterrània. La generació de models numèrics d’aigües subterrànies requereix diverses dades d’entrada i condicions límit, incloent models geològics, entrades d’aigua superficial i recàrrega d’aigua subterrània. A través de la combinació de diferents enfocaments de modelització, es pot desenvolupar una comprensió completa dels recursos d’aigua subterrània per donar suport a la gestió sostenible d’aigües subterrànies, la presa de decisions i la planificació dels recursos hídrics. Aquesta tesi es basa en eines de codi obert per ajudar en les diferents etapes d’estudis d’aigua subterrània: modelització geològica en 3D (Geopropy), modelització isotòpica (Isocompy) i modelització espacial-temporal del balanç hídric del sòl (WaterpyBal i WaterpyBal Studio). Geopropy és un algorisme de presa de decisions implementat en Python, que genera seccions transversals en 3D. Funciona com a agent intel·ligent que simula els passos que realitza el geòleg en el procés de creació de la secció transversal, enllaçat amb decisions basades en dades. L’algorisme detecta zones amb més d’una possible solució i, en funció del nivell de complexitat (o preferència de l’usuari), passa a les etapes automàtiques, semiautomàtiques o manuals. Isocompy és una biblioteca de Python que estima les composicions isotòpiques a través d’algoritmes d’aprenentatge automàtic amb variables definides per l’usuari. Inclou el pre-processament de conjunts de dades, la detecció de valors atípics, l’anàlisi estadística, la selecció de característiques, la validació i calibració del model i el post-processament. Aquesta eina té la flexibilitat per operar amb entrades discontínues en el temps i l’espai. Els procediments de presa de decisions automàtiques estan integrats en diferents etapes de l’algorisme, encara que és possible completar manualment cada pas. Els extensos informes de sortida, figures i mapes generats per Isocompy faciliten la comprensió dels estudis d’isòtops estables de l’aigua. WaterpyBal és una altra eina implementada en Python que genera models espai-temporals d’equilibri hídric. L’eina es centra en la modelització de la precipitació difusa i la recàrrega, tenint en compte el moviment vertical de l’aigua. L’eina ofereix flexibilitat en termes de dades d’entrada i interval de temps de modelització, i integra diferents etapes de l’avaluació de l’equilibri hídric, com ara la interpolació de dades espacials, el càlcul de l’evaporació, l’evapotranspiració i la infiltració, tenint en compte les característiques del sòl i els paràmetres del cicle urbà de l’aigua. WaterpyBal calcula els paràmetres del pressupost hídric, com ara la recàrrega, el dèficit i l’escorrentia en un espectre espai-temporal definit i es pot utilitzar en la fase de post-processament per crear mapes, gràfics, fulls de dades i arxius ràster. Aquesta eina té un disseny modular que garanteix la capacitat de desenvolupaments i complements futurs. WaterpyBal Studio és la interfície gràfica d’usuari de WaterpyBal que facilita l’ús d’aquesta eina en projectes de gestió de l’aigua. En essència, aquestes eines ofereixen suport per a projectes sostenibles de gestió d’aigües subterrànies que asseguren resultats de recerca reproduïbles en aquests camps ambientals.

La modelación numérica de aguas subterráneas es esencial para una gestión sostenible del agua, ya que ayuda a comprender el comportamiento de los recursos de aguas subterráneas y su interacción con el agua superficial. Estos modelos pueden predecir los impactos de la manipulación del agua en el medio ambiente, ayudar en el desarrollo de escenarios de gestión sostenible y ayudar a comprender los impactos del cambio climático en los recursos de aguas subterráneas. La generación de modelos numéricos de aguas subterráneas requiere diversos datos de entrada y condiciones de contorno, que incluyen modelos geológicos, entrada de agua superficial y recarga de aguas subterráneas. Al combinar diferentes enfoques de modelado, se puede desarrollar una comprensión integral de los recursos de aguas subterráneas para apoyar la gestión sostenible de aguas subterráneas, la toma de decisiones y la planificación de recursos hídricos. Esta tesis se basa en herramientas de código abierto para ayudar en las diferentes etapas de los estudios de aguas subterráneas: modelado geológico 3D (Geopropy), modelado isotópico (Isocompy) y modelado espaciotemporal del balance hídrico del suelo (WaterpyBal y WaterpyBal Studio). Geopropy es un algoritmo de toma de decisiones implementado en Python, que genera secciones transversales 3D. Actúa como un agente inteligente que simula los pasos que realiza el geólogo en el proceso de creación de la sección transversal, combinado con decisiones basadas en datos. El algoritmo detecta zonas con más de una posible solución y, en función del nivel de complejidad (o preferencia del usuario), procede a las etapas automáticas, semiautomáticas o manuales. Isocompy es una biblioteca de Python que estima las composiciones isotópicas a través de algoritmos de aprendizaje automático con variables definidas por el usuario. Incluye pre procesamiento de conjuntos de datos, detección de valores atípicos, análisis estadístico, selección de características, validación y calibración del modelo y post procesamiento. Esta herramienta tiene la flexibilidad de operar con entradas discontinuas en el tiempo y el espacio. Los procedimientos automáticos de toma de decisiones están tejidos en diferentes etapas del algoritmo, aunque es posible completar manualmente cada paso. Los extensos informes, figuras y mapas generados por Isocompy facilitan la comprensión de los estudios de isótopos estables del agua. WaterpyBal es otra herramienta implementada en Python que genera modelos espaciotemporales de balance hídrico. La herramienta se centra en la modelación de la precipitación difusa y la recarga, considerando el movimiento vertical del agua. La herramienta ofrece flexibilidad en cuanto a los datos de entrada y el intervalo de tiempo de modelado e integra diferentes etapas de evaluación del balance hídrico, como la interpolación de datos espaciales, el cálculo de evaporación, evapotranspiración e infiltración, teniendo en cuenta las características del suelo y los parámetros del ciclo del agua urbana. WaterpyBal calcula los parámetros del presupuesto de agua, como la recarga, el déficit y la escorrentía, en un espectro espacial-temporal definido y se puede utilizar en la etapa de post-procesamiento para crear mapas, gráficos, hojas de datos y archivos raster. Esta herramienta tiene un diseño modular que asegura la capacidad de futuros desarrollos y complementos. WaterpyBal Studio es la interfaz gráfica de usuario de WaterpyBal que facilita el uso de esta herramienta en proyectos de gestión del agua. En esencia, estas herramientas ofrecen soporte para proyectos de gestión sostenible de aguas subterráneas que garantizan resultados de investigación reproducibles en estos campos ambientales.

Groundwater numerical modeling is essential for sustainable water management as it helps understand the behavior of groundwater resources and their interaction with surface water. These models can predict the impacts of water manipulation on the environment, aid in developing sustainable management scenarios, and help in understanding the impacts of climate change on groundwater resources. Generating numerical groundwater models require various input data and boundary conditions, including geological models, surface water input, and groundwater recharge. By combining different modeling approaches, a comprehensive understanding of groundwater resources can be developed to support sustainable groundwater management, decision-making, and water resource planning. This thesis is based on open-source tools to aid in the different stages of groundwater studies: geological 3D modeling (Geopropy), isotopic modeling (Isocompy), and soil water balance spatial-temporal modeling (WaterpyBal and WaterpyBal Studio). Geopropy is a decision-making algorithm implemented in Python, generates 3D cross-sections. It performs as an intelligent agent that simulates the steps taken by the geologist in the process of creating the cross-section, coupled with data-driven decisions. The algorithm detects zones with more than one possible outcome and, based on the level of complexity (or user preference), proceeds to automatic, semiautomatic or manual stages. Isocompy is Python library that estimates isotopic compositions through machine learning algorithms with user-defined variables. It includes dataset preprocessing, outlier detection, statistical analysis, feature selection, model validation and calibration and postprocessing. This tool has the flexibility to operate with discontinuous inputs in time and space. The automatic decision-making procedures are knitted in different stages of the algorithm, although it is possible to manually complete each step. The extensive output reports, figures and maps generated by Isocompy facilitate the comprehension of stable water isotope studies. WaterpyBal is another tool implemented in Python that generates spatial-temporal water balance models. The tool focuses on diffused precipitation and recharge modelling, considering the vertical water movement. The tool offers flexibility in terms of input data and modeling time interval, and integrates different stages of the water balance assessment such as spatial data interpolation, evaporation, evapotranspiration and infiltration calculation, taking into account the soil characteristics and urban water cycle parameters. WaterpyBal calculates the water budget parameters such as recharge, deficit and runoff in defined spatial-temporal spectrum and could be used in the post-processing stage to create maps, figures, datasheets and raster archives. This tool has a modular design with ensures the ability of further developments and add-ons. WaterpyBal Studio is the graphic user interface of WaterpyBal that facilitates the usage of this tool in water management projects. In essence, these tools offer support for sustainable groundwater management projects that ensures reproducible research results in these environmental fields.