Density dependent flow occurs in areas where high-salinity groundwater interacts with low-salinity groundwater to create a brine-to-freshwater interface that defies common assumptions about groundwater movement. Yet the geologic and hydrologic factors that impact interface dynamics and migration remain poorly defined. With less than 20 mm•yr-1 of precipitation and with an extremely dense (i.e. 1.2 g•cm-3) naturally occurring brine, Chile’s Salar de Atacama (SdA) provides an excellent analog for exploring interface dynamics in other arid regions. Site-specific 2-D models of the interface in the southeastern region of SdA, with interpretations of the hydrostratigraphic framework, provide an analysis for density-driven response rates to climatic change. A separate parametric, equally probable series of distributions of hydraulic conductivity provides a means for expanding analysis to other similar arid salar (i.e. “salt flat”) environments. Comparing the modeled interface’s geometry and response to perturbations in the rates of lateral recharge in each hydrostratigraphic realization yields insight into the dynamics of interface migration to coupled climatic and geologic conditions. Changes in hydrologic conditions, informed by paleoclimatic interpretations and previously modeled climate predictions, are introduced to each hydrostratigraphic realization following the interface reaching an initial dynamic equilibrium, and the interface’s response is assessed subsequent to it reaching a new dynamic equilibrium. Metrics for model evaluation include migration rate, change in the interface’s areal extent, change in interface slope, and the response rate following the introduction to a perturbation in the aquifer’s hydrology. Model analyses suggest that evaporation rates strongly control the interface’s geometry and sensitivity despite climatic and geologic conditions; continuity of high-permeability pathways controls interface slope; increasing continuity also decreases interface stability in terms of time required to reach a new steady state. While these results have implications for interface dynamics in both salars specifically and arid climates in general, they also indicate the importance of considering hydrostatigraphic continuity for saline water intrusion in coastal regions. They also provide a compelling method for assessing interface dynamics in other climatic and geologic conditions.

CoordenaÃÃo de AperfeiÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / Nos dias atuais a Ãgua se constitui em um bem natural que limita o desenvolvimento socioeconÃmico e, atà mesmo, a subsistÃncia da populaÃÃo. Como tentativa de minimizar o problema da escassez de Ãgua tem-se utilizado a explotaÃÃo da Ãgua subterrÃnea. Entretanto, esse crescimento da utilizaÃÃo de Ãguas subterrÃneas foi feito de forma desordenada e com a construÃÃo inadequada de poÃos. Essa prÃtica acabou por colocar em risco a qualidade das Ãguas subterrÃneas. Assim, a gestÃo dos recursos hÃdricos subterrÃneos tem se tornado um grande desafio. Essa tese propÃe o desenvolvimento um modelo para a simulaÃÃo de fluxo hÃdrico e de transporte de massa para problemas transientes em aqÃÃferos costeiros sujeitos à intrusÃo salina, por meio do desenvolvimento de um modelo numÃrico. Em seguida à desenvolvida uma anÃlise de sensitividade com o objetivo de possibilitar, atravÃs do melhor conhecimento dos parÃmetros locais e suas influÃncias, uma melhor adequaÃÃo do modelo à realidade. / Today the water is a natural well which limits the socioeconomic development and even the subsistence of the population. An attempt to minimize the problem of water scarcity has used the farming of groundwater. However, this growth of the use of groundwater was done inappropriately and with inadequate wells construction. This practice was eventually put at risk the quality of groundwater. Thus, the management of groundwater resources has become a major challenge. This thesis proposes developing a model for the simulation of water flow and mass transport for transient problems in coastal aquifers subject to saline intrusion, through the development of a numerical model. Then we developed a sensitivity analysis with the goal of enabling through better knowledge of local parameters and their influences, a best fit of model to reality.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / FundaÃÃo de Amparo à Pesquisa do Estado do Cearà / A evoluÃÃo da percepÃÃo dos problemas de qualidade da Ãgua nÃo à exclusiva do Ãltimo sÃculo. Alguns apontamentos histÃricos mostram como a sociedade olhou ao longo dos tempos para a problemÃtica da qualidade de seus recursos hÃdricos. Jà em 1489, Leonardo da Vinci constatou que âdos quatro elementos, a Ãgua à o segundo em peso e em mobilidade. Eleva-se facilmente por si prÃpria pelo calor em sutil vapor atravÃs do ar. O frio fÃ-la gelar, e a imobilidade a corrompe. Assume todo o odor, cor e sabor, e de si, nada temâ. O projeto âAvaliaÃÃo do MilÃnio, Estudos Desenvolvidos dos Ecossistemasâ, lanÃado em junho de 2001 por iniciativa do SecretÃrio-Geral das NaÃÃes Unidas, mostrou que sÃo muitos os ecossitemas no mundo que estÃo ameaÃados pela sobrexplotaÃÃo de Ãguas subterrÃneas, seja pela poluiÃÃo tÃpica e difusa que as afeta, seja pelo impato direto e indireto na disponibilidade hÃdrica causados por alteraÃÃes climÃticas. As aÃÃes antropogÃnicas tÃm reflexos negativos na vitalidade dos ecossistemas e nos benefÃcios que eles prestam à humanidade, como à o caso particular dos ecossistemas dependentes de Ãguas subterrÃneas que garantem a biodiversidade fundamental para o equilÃbrio do ecossistema terrestre como um todo. O grau de dependÃncia da Ãgua subterrÃnea de cada ecossistema deve ser avaliado sob diversas Ãticas hidrogeolÃgicas, como o caudal de escoamento subterrÃneo, o nÃvel potenciomÃtrico e os descritores hidroquÃmicos para que possa ser preservado em sua integridade por longo tempo. O comportamento hidrogeoquÃmico da Ãgua subterrÃnea dos aquÃferos costeiros na parte oriental da ilha de Santiago em Cabo Verde, onde se localiza a bacia hidrogrÃfica da Ribeira Seca, à um exemplo de ecossistema que sofreu uma degradaÃÃo significativa ao longo das duas Ãltimas dÃcadas por causa do rÃpido crescimento populacional associado à intensa explotaÃÃo dos recursos hÃdricos, permitindo assim o avanÃo da Ãgua do mar para o interior do continente. A avaliaÃÃo acurada deste ecossistema pode ser efetuada atravÃs da elaboraÃÃo de cartas de vulnerabilidade baseadas nas caracterÃsticas intrÃnsecas do aquÃfero e no tipo de poluente (vulnerabilidade especÃfica) utilizando dois Ãndices de natureza intrÃnseca (DRASTIC e GOD) e um de natureza especÃfica (IS). Deste modo à possÃvel selecionar os resultados mais prÃximos de realidade observada, servindo posteriormente como instrumento de apoio a ÃrgÃos gestores de recursos hÃdricos na definiÃÃo de polÃticas pÃblicas que visem à conservaÃÃo e ao uso sustentÃvel das Ãguas subterrÃneas. Todas estas preocupaÃÃes surgem, mais do que nunca, como um imperativo Ãtico, social e econÃmico em tudo o que diga respeito à proteÃÃo e sustentabilidade ambiental, cruciais para um desenvolvimento social e econÃmico que pretende ser integrado e harmonioso. A atribuiÃÃo do PrÃmio Nobel da Paz de 2007 a temÃticas ambientais veio reforÃar a importÃncia da sustentabilidade ambiental para a paz no mundo. Saibamos, portanto, todos nÃs dar a nossa contribuiÃÃo para corrigir o que sabemos que nÃo à sustentÃvel.

Les estuaires macrotidaux tels que l'estuaire de la Charente sont le siège d'une interaction constante entre la marée et le débit fluvial. L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement de l'estuaire en fonction de ces forçages, et de déterminer leur impact sur les distributions horizontale et verticale de la salinité et des sédiments fins cohésifs. Un modèle tridimensionnel hydrosédimentaire a été mis en place sur l'estuaire afin de reproduire la dynamique estuarienne observée dans la Charente. Ce modèle a été validé via l'obtention de mesures in-situ venant également appuyer et compléter les simulations de réponse aux forçages effectuées. Dans l’estuaire de la Charente, l'asymétrie de la marée présente la particularité de s’inverser en fonction du cycle morte-eau/vive-eau. Le modèle a permis de déterminer l'influence de la marée incidente et de la morphologie de l'estuaire sur ce comportement, et d'évaluer son impact sur la salinité et la dynamique sédimentaire de l'estuaire. L'évolution globale de la marée lors de sa propagation dans l'estuaire a été étudiée, ainsi que l'influence du débit fluvial sur la circulation estuarienne, l'intrusion saline, et la stratification. Les résultats montrent que l'embouchure de l'estuaire reste dominée par la marée même en cas de crue, et que la stratification est inversement proportionnelle au débit fluvial. Le bouchon vaseux est reproduit par le modèle hydrosédimentaire, et ses variations en fonction des cycles de marée flot/jusant et morte-eau/vive-eau sont étudiées. La marée est le processus dominant dans la formation et le déplacement du bouchon vaseux. Les simulations montrent cependant une forte influence du débit fluvial sur sa géométrie et sa concentration, particulièrement en crue où il est plus compact et se déplace sur une distance plus courte. Les flux sédimentaires et les observations faites sur le terrain suggèrent que les sédiments sont importés dans l'estuaire en régime fluvial moyen et d'étiage, et qu'un envasement se produit. En crue, le bouchon vaseux est maintenu à 10 km en aval de l'embouchure et un export de sédiments vers la baie de Marennes-Oléron est obtenu. / Macrotidal estuaries such as the Charente estuary are characterized by a constant interaction between the tides and the river runoff. The aim of this work is to study the estuary behavior in function of these forcings, and to determine their impact of the horizontal and vertical distributions of salinity and fine cohesive sediments. A three-dimensional model was developed to reproduce the estuarine dynamics observed in the Charente estuary. This model was validated using in-situ measurements, which can also confirm and provide additional information when compared to the different forcing simulations. In the Charente estuary, the tidal asymmetry is characterized by its inversions in function of the neap/spring tidal cycle. The model was used to determine the influence of the incident tide and the estuarine morphology on this behavior, and to evaluate its impact on salinity and sediment dynamics in the system. The overall evolution of the tide during its propagation in the estuary was studied, together with the river runoff influence on the estuarine circulation, the saline intrusion and stratification. Results show that the estuary mouth stays tide-dominated even in the event of a flood, and that stratification is inversely proportional to the river runoff. The turbidity maximum is well reproduced by the hydrosedimentary model, and its variations infunction of the flood/ebb and neap/spring tidal cycles are studied. Tidal forcing is the main mechanism leading to the formation and movement of the turbidity maximum. However, simulations show a strong influence of the river runoff on its geometry and concentration, especially when the runoff is high. The turbidity maximum is then more compact and moving on shorter distances. Calculated sedimentary fluxes and observations made on the field suggest that sediments are imported in the estuary for low and medium river runoffs, and that siltation is occurring. In the event of a flood, the turbidity maximum is maintained 10km upstream of the mouth and sediments are exported into the Marennes-Oléron bay.