Model-aided design and optimization of artificial recharge-pumping systems

This paper presents a methodology for the design and optimization of artificial recharge-pumping systems (ARPS). The objective of ARPS is to provide a maximum abstraction rate through artificial recharge, while meeting two operational constraints: (a) the influences of the system operation on groundwater levels should be no more than 25 mm in the vicinity of the system; and (b) the travel time of the infiltrated water from the recharge pond to the pumping wells should be more than 60 days. The combined use of a 3-dimensional generic groundwater simulation model with particle tracking analyses has identified the two best ARPS systems: the circular pond system and the island system. By coupling the simulation model with linear and mixed integer programming optimization, the optimal pumping scheme (number, locations and rates of the pumping wells) has been determined. An unsteady state model has been used to simulate the response of the operation of the two systems under natural seasonal variations. The implementation aspects of the two systems are compared. Utilisation de modèles pour la conception et l'optimisation de systèmes de recharge artificielle et de pompage Résumé L'article présente une méthodologie pour la conception et l'optimisation de systèmes de recharge artificielle et de pompage (ARPS). L'objectif des ARPS est de fournir un débit maximal de pompage grâce à la recharge artificielle tout en satisfaisant deux contraintes opérationnelles: (a) les influences de l'exploitation du système sur les niveaux de l'eau souterraine ne doivent pas dépasser 25 mm au voisinage du système; et (b) le temps de parcours de l'eau infiltrée à partir de l'étang de réalimentation jusqu'aux puits de pompage doit être supérieur a 60 jours. L'utilisation d'un modèle générique tridimensionnel d'écoulement souterrain combiné avec des analyses de traçage de particules a permis d'identifier les deux meilleurs systèmes ARPS: le système de l'étang circulaire et le système insulaire. Le schéma de pompage optimal (nombre, localisations et débit des puits de pompage) a été déterminé en couplant le modèle de simulation avec une optimisation utilisant la programmation linéaire mixte (Mixed Integer Programming). Un modèle d'écoulement souterrain en régime transitoire a été utilisé pour simuler la réponse du système aux variations saisonnières. Les aspects liés à la mise en oeuvre des deux systèmes ont été comparés.