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Groundwater response to climate variability and land cover change is important for sustainable management of water resources in the Southwest US. Global Climate Models (GCM) project that the region will dry in the 21st century and the transition to a more arid climate may be under way. In semiarid Basin and Range systems, this impact is likely to be most pronounced in Mountain System Recharge (MSR), a process which constitutes a significant component of recharge in these basins. Despite the importance of MSR the physical processes that control MSR, and hence the climate change impacts, have not been fully investigated because of the complexity of recharge processes in mountainous catchments and limited observations. In this study, methodologies were developed to provide process-based understanding of MSR based on empirical and data-driven approaches. For the empirical approach, a hydrologically-based seasonal ratio the Normalized Seasonal Wetness Index (NSWI) was developed. It incorporates seasonal precipitation variability and temperature regimes to seasonal MSR estimation using existing empirical equations. Stable isotopic data was used to verify recharge partitioning. Using the NSWI and statistically downscaled monthly GCM precipitation and temperature data, climate change impacts on seasonal MSR are evaluated. Second, a novel data-based approach was developed to quantify mountain block recharge based on the catchment storage-discharge (S-Q) relationships and informed by isotopic data. Development of S-Q relationships across the Sabino Creek catchment, Arizona, allowed understanding of MBR dynamics across scale.Two ArcGIS desktop applications were developed for ArcGIS 9.2 to enhance recharge and evapotranspiration (ET) estimation: Arc-Recharge and RIPGIS-NET. Arc-Recharge was developed to quantify and distribute recharge along MODFLOW cells using spatially explicit precipitation data and a digital elevation model. RIPGIS-NET was developed to provide parameters for the RIP-ET package and to visualize MODFLOW results. RIP-ET is an improved MODFLOW ET module for simulating ET. RIPGIS-NET improves alluvial recharge estimation by providing spatially explicit riparian ET estimates. Using such tools and the above methods improves recharge and ET estimation in groundwater models by incorporating temporally and spatially explicit data and hence the assessment of climate variability and land cover change on groundwater resources can be improved.

A mathematical model is proposed to estimate annual recharge rates from various sources into an aquifer, based on chemical and isotopic data. The aquifer is divided into mixing cells. For each mixing cell, annual mass balance equations are written which express the conservation of water, dissolved chemicals, and stable environmental isotopes. These equations are solved simultaneously for unknown recharge rates by quadratic programming. A similar approach was used earlier to estimate inflows into a river reach which acts as a single mixing cell. The sensitivity of the model to input errors is analyzed by applying it to synthetic data corrupted by artificial noise. The ability of the model to deal with real data is illustrated by applying it to the semiarid Aravaipa basin in southern Arizona.

Technique émergente de gestion intégrée des ressources en eau pour résoudre des problèmes de gestion en zones arides, la Recharge Artificielle de Nappe RAN n'est pas appliquée aux aquifères carbonatés à cause des problèmes de karst. Son application au karst devrait cependant s'imposer. Cette thèse a analysé les conditions de recharge naturelle et artificielle, pour proposer une méthodologie d'Analyse de la faisabilité de Recharge Artificielle des aquifères Karstiques (ARAK) afin de définir des sites favorables à une recharge artificielle depuis la surface. 4 critères indépendants (Epikarst, Roche, Infiltration et Karst) sont considérés, indexés dans chaque maille à partir des données géologiques et topographiques, cartographiés selon une méthode d'indexation multicritère. L'indice de rechargeabilité intrinsèque, combinant ces critères, décrit l'aptitude de l'aquifère à être rechargé depuis sa surface, à l'échelle du système, puis à celle des sites les plus favorables. Un facteur de faisabilité technico-économique, mesurant les difficultés techniques et économiques d'une opération de recharge, est ensuite calculé à chaque site. Développée pour prendre en compte les aspects théoriques et pratiques rencontrés en identifiant les sites de RAN à partir de la surface, cette méthodologie devrait servir d'outil de gestion durable des ressources en eau karstique. La méthode ARAK a été testée sur l'aquifère karstique littoral de Damour, Liban, capté pour l'e au potable de Beyrouth, dont l'exploitation non contrôlée a conduit à une intrusion marine. Plusieurs sites de recharge à partir de la surface ont été identifiés. Mais le facteur technico-économique a révélé des difficultés techniques. La solution proposée consiste en une galerie horizontale, pour injecter l'eau de la rivière. Les établissements de l'eau considèrent qu'un tel projet offrira une solution intéressante pour satisfaire la demande en eau et combattre l'intrusion d'eau salée. / Managed Aquifer Recharge MAR is an emerging sustainable technique used to solve water management problems. MAR presents great interest for karst aquifers, however known to present a high heterogeneity. MAR remains till date marginal in karst aquifers. Accordingly, the present work presents a methodology for Aquifer Rechargeability Assessment in Karst ARAK. The aim of ARAK is to determine the ability of a karst aquifer to be artificially recharged from its surface; and the best sites for implementing the recharge. Based on multi-criteria indexation analysis, ARAK considers 4 criteria: Epikarst, Rock, Infiltration, Karst. The criteria are indexed at each mesh of the 2 D grid domain, from geological and topographic data. ARAK computes the intrinsic rechargeability index, describing the rechargeability of a karst aquifer, on the regional scale, then on the identification of rechargeable sites. Subsequently, a feasibility factor, weighting the techn ical and economic difficulties of a recharge operation, is applied to the selected sites. The methodology, developed to reconcile the problems encountered to identify sites for MAR in karst, provides a useful tool to help water authorities to determine the potential of MAR in karst aquifers. ARAK was applied to Damour site (Lebanon). This coastal aquifer, source of water supply for Beirut, was salinated by its uncontrolled exploitation. A MAR system in Damour region should remediate to it. The four ARAK criteria were indexed and mapped. The final map showed that the aquifer is favorable to a recharge operation, and identified several potential rechargeable sites. However, the feasibility factor indicated that major difficulties hinder the use of infiltration ponds. The solution proposed consists of drilling a horizontal gallery for injecting river water. Water authorities consider that an aquifer recharge project could offer solutions for the shortage in water supply and the sea water intrusion.

Le véhicule électrique est actuellement au coeur des alternatives énergétiques qui permettent de faire face à la croissance du coût du carburant et au réchauffement climatique. En revanche, l’autonomie limitée des batteries des véhicules électriques et l’indisponibilité d’un nombre suffisant de bornes de recharge représentent des enjeux majeurs auxquels se trouvent confrontés les utilisateurs. Le déploiement des véhicules électriques doit alors passer par la conception et l’expérimentation des outils d’aide à la décision pour gestion optimisée et adaptée de l’écosystème du véhicule électrique. C’est dans ce contexte que s’inscrit cette thèse qui vise à fournir des outils d’aide à la décision pour l’optimisation des usages, de la recharge et des tournées des véhicules électriques dans le cadre industriel. Dans un premier temps, nous proposons d’étudier le problème d’optimisation conjointe de l’affectation et de la recharge des véhicules électriques. L’objectif de ce problème est de maximiser l’usage des véhicules électriques et minimiser les coûts de recharge tout en prenant en compte les contraintes d’ordre opérationnel et technique. Pour résoudre ce problème, nous proposons une méthode exacte et deux heuristiques. Nous comparons les performances de ces méthodes sur des instances réelles et d’autres aléatoires. Nous exposons ensuite plusieurs extensions au problème de base en intégrant de nouvelles fonctions objectif et de nouvelles contraintes. Nous étudions par la suite notre problème de point de vue ordonnancement et nous proposons une étude de complexité et des algorithmes d’approximation avec garantie de performance pour le problème d’ordonnancement d’intervalles sous contraintes d’énergie. Finalement, nous nous intéressons à un nouveau problème de construction de tournées pour une flotte mixte de véhicules électriques et thermiques. Pour résoudre ce problème, nous proposons des heuristiques et des méta-heuristiques hybrides et nous comparons les performances des différentes méthodes sur des instances généralisées de la littérature / Electric Vehicles may decrease transportation-related emissions and provide for less dependence on foreign oil. However, electric vehicles are still facing many weaknesses related to the high purchase prices, limited battery range and scarce charging infrastructure. The deployment of electric vehicles must then involve the design and the deployment of charging infrastructures. Within this study, the overall objective is to provide enhanced optimization methods and decision tools for electric vehicles assignment, charging and routing that are relevant to different real-world constraints. Firstly, we propose to study the joint scheduling and optimal charging of electric vehicles problem. This problem consists in assigning a set of already constructed routes to the available electric and conventional vehicles and in, simultaneously, optimizing the electric vehicles charging costs while ensuring that all constraints are satisfied. The objective of this problem is to maximize the use of EVs and to minimize charging costs. Secondly, we propose different extensions to our baseline problem and we vary the objective functions and the considered constraints. Moreover, our problem can be seen as a fixed interval scheduling problem with complementary constraints of energy. We propose then to study the complexity and the approximability of many variants of this new problem. Finally, we consider a new variant of the electric vehicle routing problem with a heterogeneous fleet of vehicles and we propose different heuristics and metaheuristics to solve it. We test the different solving methods on benchmark instances and we evaluate the efficiency of each method

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Thesis (M.S. - Hydrology and Water Resources)--University of Arizona, 1986. / Includes bibliographical references (leaves 164-170).

Thesis (Ph. D.)--University of Texas at Austin, 2008. / Vita. Includes bibliographical references.

Dans les zones arides, la grande variabilité des eaux de surface a conduit les Hommes à exploiter les eaux souterraines. Cependant, afin de préserver durablement cette ressource, une bonne connaissance des processus de recharge est nécessaire. Ces travaux de thèse ont pour objectifs de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. Dans le Nord du Chili, l’activité minière et les villes nouvelles associées aux déplacements de populations depuis quelques dizaine d’années ont engendré une surexploitation des ressources en eaux souterraines contenues dans l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal. Cet aquifère régional est l’une des principales ressources en eau de l’ensemble du Nord du Chili, ce qui en fait une ressource stratégique. Le contexte hyper-aride de cette zone de piedmont (extension nord du Désert d’Atacama) semble suggérer que la recharge actuelle de l’aquifère ne permet pas de soutenir son bilan hydrologique.Afin d’identifier et de caractériser les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal, une approche multidisciplinaire a été utilisée. Cette approche est basée dans un premier temps sur la caractérisation géologique et géomorphologique de la Dépression Centrale et notamment du Piedmont Andin entre 19,5°S et 20°S. Celle-ci a permis d’identifier le rôle du substratum pré-Oligocène sur l’organisation de la couverture fin-Cénozoïque (i.e. axes de drainages, barrières sédimentaires & paléovallées) et sur les circulations souterraines au niveau du piedmont. Dans un second temps, une approche hydrogéophysique et hydro(géo)logique a été utilisée afin de caractériser et d’identifier les conditions aux limites ainsi que l’évolution spatiale de la piézométrie au sein de la plaine de la Pampa del Tamarugal et du piedmont. De nombreux sondages de résistivité, réalisé par TDEM, ont permis d’identifier un contraste bien défini et corrélé avec le niveau piézométrique de la nappe libre. Des relevés hydro(geo)logiques ont permis de valider les échanges rivière-nappe (zones de recharge) qui ont été déduits à partir de l’étude géophysique. Dans un troisième temps, la caractérisation géochimique et isotopique des eaux souterraines de la zone d’étude a permis d’identifier les origines, les circulations ainsi que les processus de recharge de l’aquifère. La distribution des âges de l’eau de la zone saturée a permis d’identifier les grandes phases de recharge paléoclimatiques de l’Holocène. Dans un quatrième temps, une approche exploratoire par la modélisation des écoulements au sein de la zone non saturée, basée sur un modèle à base physique (Hydrus-1D) et complétée par des relevés de terrain, ont permis d’évaluer la recharge induite par une crue au niveau des cônes alluviaux. L’analyse des chroniques piézométriques a apporté de nombreuses informations sur la quantification de la recharge.Sur la base des résultats de cette étude multidisciplinaire, ces travaux de recherche ont permis de définir, au niveau de l’Aquifère de la Pampa del Tamarugal (Nord Chili), les facteurs de contrôle de la recharge et des écoulements souterrains en zone de piedmont aride et hyper-aride. / In drylands, the scarcity of surface waters has led the population to mainly extract the groundwater resource for water supply. To preserve the groundwater resource of the over-exploitation, the understanding of the groundwater recharge processes is required. The present work aims to assess the factors of control on both the groundwater recharge and the groundwater circulation in dryland piedmonts.In Northern Chile, since a few tens of years, mining activities and the associated population movements have induced an over-exploitation of the Pampa del Tamarugal Aquifer. This regional size aquifer is one of the main groundwater resources of Northern Chile as a whole.In order to assess the controls on the groundwater recharge processes that allow recharging the Pampa del Tamarugal Aquifer as well as the groundwater circulation in the Andean Piedmont, a multidisciplinary approach was carried out in the endorheic catchment of the Pampa del Tamarugal (i.e. lowlands and piedmont) between 19.5°S and 20°S. Firstly, the study is based on a geological and geomorphological assessment of the Central Depression sedimentary basin with a focus on the Andean Piedmont. This work allowed identifying the control of the pre-Oligocene bedrock on both the late-Cenozoic piedmont cover (i.e. alluvial drainage axis, sedimentary barriers, and paleovalleys) and the groundwater circulation. Secondly, a hydrogeophysical (resistivity soundings, via TDEM) and hydrogeological characterization of the vadose zone and the saturated zone of the aquifer was carried out. These measurements allowed identifying a well-defined contrast of resistivity that is correlated with the water-table. This allows to better define the boundary conditions of the aquifer and to shift eastwards (i.e. in the piedmont) the oriental limit of the aquifer. Hydrological surveys allowed to validate the identification of groundwater recharge areas where the rivers fed the aquifer. Thirdly, the study is based on the assessment of the geochemical, isotopic and dissolved gas content of the groundwater. This approach allowed identifying the origin and also the groundwater circulation of the aquifer. The characterization of the groundwater distribution ages allowed to identify the main stages of recharge during Holocene and late-Pleistocene times. Fourthly, an exploratory approach was carried out in order to address the recharge fluxes in the vadose zone. Based on Hydrus-1D model and soil sampling carried out in the field, the recharge fluxes induced by one flood in the alluvial fans were estimated. The behavior analysis of water-table on time series of a few years were also used to estimate the recharge in the lower part of alluvial fans according to the surface geomorphology features.Based on this multidisciplinary approach, these works (performed in Northern Chile) allow defining the controls on the groundwater recharge and circulation in arid and hyperarid piedmont areas.

La gestion durable des aquifères est une problématique grandissante depuis la fin du 20ème siècle. L'exploitation d’une ressource en eau souterraine est qualifiée de durable lorsque la capture des flux environnementaux est considérée comme acceptable sur le long terme. La modélisation hydrodynamique s'impose comme un outil indispensable pour remplacer une gestion réactive par une approche anticipative. Les paramètres hydrodynamiques qui caractérisent un aquifère et contrôlent les variables de sorties des modèles hydrodynamiques sont souvent mal connus. L’estimation de ces paramètres par la modélisation inverse souffre de la non-unicité de la solution optimale. Une approche simplifiée pour la quantification des incertitudes (analyse linéaire) est présentée comme une alternative pragmatique à des méthodes stochastiques inapplicables pour des modèles opérationnels. A partir de la réalisation d’une station expérimentale pilote, différentes méthodes (parfois complémentaires) ont été évaluées pour contraindre la recharge météorique et les propriétés hydrauliques d’un aquifère afin de réduire l’incertitude prédictive. La réalisation d’un modèle vertical couplé sol-surface a permis de démontrer que, dans le contexte étudié, la tension matricielle apporte suffisamment d’informations afin de contraindre la recharge prédite. Une interprétation conjointe d’un essai de nappe libre et des fluctuations piézométriques a permis une estimation intégrée de la recharge et des paramètres hydrodynamiques de la nappe libre. Ce travail de thèse a ainsi permis (i) de démontrer l’intérêt de disposer de méthodes algorithmiques pour la calibration et la quantification des incertitudes paramétriques pour un modèle hydrodynamique de gestion ; (ii) de mener une réflexion méthodologique sur l’utilisation de méthodes existantes afin d’apporter de l’information complémentaire fiable sur les paramètres hydrodynamiques ainsi que sur la recharge météorique. Ce travail offre des perspectives quant à la mise en place d’un réseau de suivi complet à l’échelle d’un bassin hydrogéologique. / The sustainable management of aquifers is a growing problem since the end of the 20th century. For groundwater withdrawals to be considered as sustainable, the capture of environmental flow should remain acceptable over a long-term period. Groundwater modeling is an essential tool to move from a reactive management to an anticipatory approach. Hydrodynamic parameters characterizing the aquifers are often poorly constrained by prior information or history matching. The estimation of these parameters by inverse modeling suffers from the non-uniqueness of the solution. This is an issue when predicted values by groundwater model are used to define legal frameworks. A simplified approach for the quantification of uncertainties (linear analysis) is presented as a pragmatic alternative to stochastic methods that cannot be applied to operational groundwater management models. The implementation of a pilot experimental station brings possibility to evaluate different approaches for the estimate of groundwater recharge and hydrodynamic parameters estimation in order to reduce the uncertainty of groundwater management models. A 1D coupled soil-surface model was used to demonstrate that, in the studied context, matrix potential measurements alone appear as sufficient to constrain coupled model-based estimates of recharge. In addition, a joint interpretation of an unconfined aquifer-test and water table fluctuations has been conducted. Reliable estimates of groundwater recharge can be obtained from water level records when considering long recharge events and a consistent value of drainable porosity. This thesis highlights (i) the necessity to use algorithmic methods for parameters estimation and uncertainty quantification for a groundwater management model; (ii) the interest of different methods to collect reliable hydrodynamic parameters and groundwater recharge estimation. This work can be used to support a monitoring network for parameters estimation at a basin scale.