Rainwater Infiltration Model of the Chocaya Basin using Hydrus-1D

Abstract

The objective of this study was to assess the rainwater infiltration process in the unsaturated zone in an alluvial plain. Particularly, this study is focused on the Chocaya basin in central Bolivia.

The hydraulic conductivity (Kfs) was obtained from seven in situ measurements of infiltration rate (I) performed by Double Ring Infiltrometer (DRI) test. These seven values were compared to the hydraulic conductivity (Ks) obtained from the empirical models; Hazen equation, Beyer equation and the Rosetta module based on particle size distribution (PSD) data obtained from soil samples. The hydraulic conductivity ranged from 3.4×10-8 to 2.3×10-1 m/s.

The obtained soil parameters were implemented with collected meteorological data in Hydrus-1D to simulate the soil water content through a 5m deep soil column. Electrical resistivity
tomography (ERT) was used to assess the sub-surface soil structure. The performance of the infiltration model simulating soil water content was compared to in situ observations from soil moisture sensors.

The results implied that the hydraulic conductivity obtained from the double ring infiltrometer test and the Rosetta module manage to recreate the soil water content better than values from the Hazen and Beyer equations.

The Hydrus-1D models were built to represent the alluvial plain during a 14-months period (2018–2020) to cover a complete rain season and dry season. According to the simulation result, the bottom flux ranges between 0-15 cm yearly through the 5m soil profile. The model results are largely dependent on initial soil water content (θi) and saturated hydraulic conductivity (Ks). This demonstrate the importance of obtaining good field investigation parameters.

The study showed that using laboratory-determined soil hydraulic properties to simulate the soil water content at field scale in a stratified soil can produce inaccurate results.

Popular Abstract (Swedish)

Bolivia är ett av de fattigaste länderna i Sydamerika och landet lider av ojämn social och ekonomisk utveckling. Bolivia har stora sötvattenresurser per capita (28 300 m3), jämfört med 17 600 m3 per capita i Sverige. Men tillgången är emellertid inte jämnt distribuerad över landet. Istället återspeglar tillgången på sötvatten landets karakteristiska geografi där östra Bolivia får mest nederbörd, upp till 5000 mm per år, medan den västra delen av Bolivia, som kännetecknas av dess torra klimat, kan ha en årlig nederbörd på endast 10 mm. Denna fördelning av vattentillgångar i Bolivia orsakar problem med tillräckliga vattenresurser under ett år. Därför är det viktigt att undvika överexploatering samt med förvaltning av tillgängliga vattenresurser nödvändiga för ökad sanitet och förbättrad välfärd i landet.

Fältstudien utfördes i regionen Cochabamba i avrinningsområdet Chocaya. Regionen Cochabamba är belägen i den centrala delen av Bolivia på 2600 meters höjd. Avrinningsområdet ligger på en alluvial slätt. Alluviala slätter uppkommer genom att vattenflöden, till exempel floder, transporterar partiklar och dessa partiklar avsetts när vattenflödena översvämmar området. Då vattnets strömningshastighet är växlande blir alluviala jordarter ofta uppbyggda av flera skikt med distinkta lagerföljder. Syftet med projektet var att få en djupare förståelse för regnvatteninfiltration i avrinningsområdet då alluviala slätter har visat sig vara viktiga för grundvattenbildning. En ökad urbanisering har observerats i regionen och det finns en oro för att en exploatering av avrinningsområdet kan orsaka ett möjligt hot mot den potentiella grundvattenbildningen samt ett hot mot grundvattenmagasinen då den antropogena verksamheten kan orsaka grundvattenföroreningar.

Mängden vatten som tränger ner genom marken (infiltration) bestäms av markegenskaper och meteorologiska faktorer. Infiltrationshastighet uppmättes på fem platser i avrinningsområdet. På samma platser samlades även jordprover på olika djup in. Dessa prover analyserades sedan
i ett labb. Jordlagerföljden i den alluviala slätten har tolkats och visualiserat baserat på resultatet från olika geofysiska mätningar som har utförts i området. Nederbörd och temperatur på platsen
uppmättes medan avdunstningen uppskattades utifrån temperaturdata. De insamlade parametrarna användes sedan för att i simuleringsverktyget Hydrus-1D konstruera en teoretisk
endimensionell modell över infiltrationen i avrinningsområdet.

Resultaten visade att infiltration av regnvatten till grundvatten är av liten eller ingen betydelse
för grundvattenbildningen i avrinningsområdet Chocaya. Dock krävs fler undersökningar för att stärka detta uttalande. För att öka kunskapen om infiltrationsprocessen i regionen och
förbättra modellens noggrannhet är det nödvändigt att genomföra ytterligare studier på grundvattenbildningen.

• author: Bergman, Alexander and Persmark, Mire
• supervisor: Alfredo Mendoza; Andres Gonzales Amaya
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Infiltrationsmodell för regnvatten i Chocaya avrinningsområde
• course: VTGM05 20201
• year: 2020
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Rainwater Infiltration, Alluvial Plain, Chocaya Basin, Hydraulic Conductivity, Double Ring Infiltrometer (DRI), Hydrus-1D, Electrical Resistivity Tomography (ERT)
• publication/series: ISRN
• report number: LUTVDG/ (TVTG-5164)/1-42/(2020)
• other publication id: LUTVDG/ (TVTG-5164)/1-42/(2020)
• language: English
• additional info: Examiner: Jan-Erik Rosberg
• id: 9008864
• date added to LUP: 2020-06-01 13:48:46
• date last changed: 2020-06-01 13:48:46