29
http://researchoutput.csu.edu.au This is the Author’s version of the paper published as: Author: S. Khan, A. Abbas, J. Blackwell and A. A. Hamza F. Gabriel Author Address: [email protected], [email protected], [email protected] Title: Hydrogeological Assessment of Serial Biological Concentration of Salts to Manage Saline Drainage Year: 2007 Journal: Agricultural Water Management Volume: 92 Issue: 1-Feb Pages: 64-72 Date: August ISSN: 0378-3774 URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.agwat.2007.05.011 Keywords: Serial Biological Concentration, irrigation, saline drainage, regional groundwater, groundwater model, waterlogging Abstract: Serial Biological Concentration (SBC) of salts is an innovative technology to manage salts in agricultural drainage. This approach utilises saline drainage water as a resource to produce marketable crops and, therefore provides a method to manage salts in a viable manner. However, there are associated risks of development of groundwater mound beneath the treatment facility and the consequent threats of groundwater contaminations. The water table in the shallow aquifers often rises to the ground surface following irrigations and rainfall events. In the SBC system, the intensive drainage system manages these events and enables the water table to be lowered rapidly. This paper describes the hydrogeological assessment of an SBC system to quantify the water table mound and the effect on the local groundwater. The deep leakage rates and lateral flows to adjoining lands are determined in order to asses the onsite and regional impacts under typical SBC operation. Modelling results show that the net watertable rise under a 50 ha site, in the first year of the system operation, is about 1.3 meters. However, there is no further water table rise during 25 years of simulated operation, mainly because of the high drainage efficiency of the tile drainage operation in the SBC system. The water table under the SBC site reaches quasi equilibrium with periodic rise and fall around the tile drain depth. The deep leakage beneath the SBC bays is approximately 1mm/day which is around 10% of the saturated groundwater flow above the tile drains. Simulation scenarios of various sizes of the SBC system in its present hydrogeological settings suggest that the lateral extent of groundwater mound does not extend beyond 50 m from the outer edge of its bays. In order to develop SBC systems at other locations, a GIS-based site suitability assessment model is recommended to evaluate the SBC effect under different soil and hydrogeological conditions.

This is the Author’s version of the paper published as

  • Upload
    others

  • View
    2

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: This is the Author’s version of the paper published as

http://researchoutput.csu.edu.au This is the Author’s version of the paper published as:

Author: S. Khan, A. Abbas, J. Blackwell and A. A. Hamza F. Gabriel Author Address: [email protected], [email protected], [email protected] Title: Hydrogeological Assessment of Serial Biological Concentration of Salts to Manage Saline Drainage Year: 2007 Journal: Agricultural Water Management Volume: 92 Issue: 1-Feb Pages: 64-72 Date: August ISSN: 0378-3774 URL: http://dx.doi.org/10.1016/j.agwat.2007.05.011 Keywords: Serial Biological Concentration, irrigation, saline drainage, regional groundwater, groundwater model, waterlogging Abstract: Serial Biological Concentration (SBC) of salts is an innovative technology to manage salts in agricultural drainage. This approach utilises saline drainage water as a resource to produce marketable crops and, therefore provides a method to manage salts in a viable manner. However, there are associated risks of development of groundwater mound beneath the treatment facility and the consequent threats of groundwater contaminations. The water table in the shallow aquifers often rises to the ground surface following irrigations and rainfall events. In the SBC system, the intensive drainage system manages these events and enables the water table to be lowered rapidly. This paper describes the hydrogeological assessment of an SBC system to quantify the water table mound and the effect on the local groundwater. The deep leakage rates and lateral flows to adjoining lands are determined in order to asses the onsite and regional impacts under typical SBC operation. Modelling results show that the net watertable rise under a 50 ha site, in the first year of the system operation, is about 1.3 meters. However, there is no further water table rise during 25 years of simulated operation, mainly because of the high drainage efficiency of the tile drainage operation in the SBC system. The water table under the SBC site reaches quasi equilibrium with periodic rise and fall around the tile drain depth. The deep leakage beneath the SBC bays is approximately 1mm/day which is around 10% of the saturated groundwater flow above the tile drains. Simulation scenarios of various sizes of the SBC system in its present hydrogeological settings suggest that the lateral extent of groundwater mound does not extend beyond 50 m from the outer edge of its bays. In order to develop SBC systems at other locations, a GIS-based site suitability assessment model is recommended to evaluate the SBC effect under different soil and hydrogeological conditions.

Page 2: This is the Author’s version of the paper published as

Hydrogeological Assessment of Serial Biological Concentration of Salts to Manage Saline Drainage 

 

S. Khan1,2,3,*, A. Abbas2, J. Blackwell1, H. F. Gabriel1,3,4 and A. Ahmad1 

 

1 International Centre of Water for Food Security, Charles Sturt University, Locked Bag 588, Wagga Wagga, NSW 2678, Australia

2UNESCO IHP-HELP, Australia

3 Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) Land and Water Division, Locked Bag 588, Wagga Wagga, NSW 2678, Australia.

4 NIT, National University of Sciences and Technology, Pakistan

*Corresponding author: [email protected], [email protected], Fax: +61 2 69332647, Phone: +61 2 69332927  

 

ABSTRACT 

Serial  Biological  Concentration  (SBC)  of  salts  is  an  innovative  technology  to  manage  salts  in 

agricultural  drainage.  This  approach  utilises  saline  drainage  water  as  a  resource  to  produce 

marketable crops and, therefore provides a method to manage salts  in a viable manner. However, 

there are associated risks of development of groundwater mound beneath the treatment facility and 

the  consequent  threats  of  groundwater  contaminations.  The water  table  in  the  shallow  aquifers 

often  rises  to  the  ground  surface  following  irrigations  and  rainfall events.  In  the  SBC  system,  the 

intensive drainage system manages these events and enables the water table to be lowered rapidly. 

This paper describes the hydrogeological assessment of an SBC system to quantify the water table 

mound  and  the  effect  on  the  local  groundwater.  The  deep  leakage  rates  and  lateral  flows  to 

adjoining  lands are determined  in order to asses the onsite and regional  impacts under typical SBC 

Page 3: This is the Author’s version of the paper published as

operation. Modelling results show that the net watertable rise under a 50 ha site, in the first year of 

the system operation,  is about 1.3 meters. However, there  is no further water table rise during 25 

years of  simulated operation, mainly because of  the high drainage  efficiency of  the  tile drainage 

operation  in  the  SBC  system.  The water  table under  the  SBC  site  reaches quasi  equilibrium with 

periodic  rise  and  fall  around  the  tile  drain  depth.  The  deep  leakage  beneath  the  SBC  bays  is 

approximately  1mm/day which  is  around  10%  of  the  saturated  groundwater  flow  above  the  tile 

drains. Simulation scenarios of various sizes of the SBC system in its present hydrogeological settings 

suggest that the lateral extent of groundwater mound does not extend beyond 50 m from the outer 

edge  of  its  bays.  In  order  to  develop  SBC  systems  at  other  locations,  a GIS‐based  site  suitability 

assessment  model  is  recommended  to  evaluate  the  SBC  effect  under  different  soil  and 

hydrogeological conditions.  

 

Key  words:  Serial  Biological  Concentration,  irrigation,  saline  drainage,  regional  groundwater, 

groundwater model, waterlogging 

 

1.  Introduction 

Contaminated surface waters have been treated using a series of vegetated wetlands where intense 

biological processing occurs  (Kivaisi,  2001). Although  effective,  this  approach  is  a non‐production 

system. One option  for managing  inevitable drainage water  from  irrigation or other contaminated 

surface waters  is  to  sequentially  use  and  re‐use  it  to  grow  increasingly  salt‐tolerant  crops while 

concentrating  the  drainage  to  a  manageable  level  (Oron,  1993;  Tanji  and  Karajeh,  1993).  This 

treatment system is known as “serial biological concentration (SBC)”. SBC systems have emerged as 

a viable option  for using saline waters  for  irrigated cropping. The system makes productive use of 

waters  considered  unfit  for  general  irrigation  and  avoids  the  associated  risks  of  saline  water 

Page 4: This is the Author’s version of the paper published as

irrigation  which  often  proves  non‐sustainable  environmentally  (Jayawardane  et  al.,  1997; 

Jayawardane,  2000;  Blackwell,  2000).  Specifically,  the  concept  of  SBC  of  salts  aims  to  reduce 

drainage effluent volumes from irrigated lands (Bethune et al., 2004). In 2003, SBC was being applied 

on some 63,000 ha  in the San Joaquin Valley, California, where  it  is the basis of an  Integrated On‐

Farm Drainage Management  System program  (Pratt Water Solutions, 2003). Blackwell  (2000) and 

Jayawardane  (2000) provided design guidelines and  the  field performance of a  land‐based sewage 

treatment  system,  Filtration,  Land  Treatment  and  Effluent  Reuse  (FILTER)  in  Australia.  The  SBC 

system  described  and  analysed  herein  was  based  on  the  function  and  operation  of  the  FILTER 

system. FILTER is an effective treatment system producing low nutrient drainage waters which meet 

Environmental Protection Agency (EPA) criteria for discharge to surface water bodies (Jayawardane, 

2000). A schematic view of the SBC system based on the FILTER approach  is shown  in Fig. 1. With 

either FILTER or SBC there are associated risks caused by the required high hydraulic loading which 

may have a deleterious effect on the surrounding groundwater quality. These risks could also bring 

about a water table rise at local and sub‐catchment level causing waterlogging and salinization. This 

would lead to production losses in surrounding irrigation lands and other potentially harmful off‐site 

environmental impacts. (Su et al., 2005). 

With the developing tension between future global fresh water needs and diminishing water 

resources, agricultural water management should consider alternative sources of water (green, grey 

and black) as a replacement  for  fresh water. Technologies such as SBC extract beneficial use  from 

water previously considered a waste and unfit for irrigation. 

Irrigation globally uses 70 % of all freshwater withdrawals and comes under heavy scrutiny 

in any discussion of freshwater governance (UNESCO, 2006). This scrutiny generally results  in fresh 

water leaving irrigation to satisfy increased demands for urban, industrial and environmental water. 

The effect of this redistribution will be felt severely in regions already water stressed. About 40% of 

the world’s population  is already experiencing water  stress, and about 30  countries are  suffering 

Page 5: This is the Author’s version of the paper published as

from water  scarcity  during  a  large  part  of  the  year  (Kivaisi,  2001). Drainage must  be  an  integral 

aspect of irrigation schemes but discharge of this drainage and its management is one of the critical 

issues  facing agriculture  today. Such  situations are amenable  to a  system  re‐use approach, which 

may include the shandying of fresh water with drainage effluents to increase available water supply 

for the sustainability of future agricultural systems. However, Rhoades et al. (1999) warn against this 

approach because of the potential for harmful salt build‐up in the system. Drainage water should not 

be  returned  to  the  land  drained,  rather,  it  should  be  used  sequentially  on  other well managed 

drained lands until it is too salty for productive use, the classic SBC approach. 

The hydraulic  loading of water applied  in an SBC system to achieve a 33%  leaching fraction 

could affect the aquifer systems. Water table monitoring and groundwater modelling are required at 

the  local and  sub‐regional  level  to provide  in‐depth  knowledge  and  concise understanding of  the 

hydrogeological  behaviour.  In  particular,  the  operation  of  the  SBC  site  demands  an  integrated 

monitoring  set‐up  to help understand  the development of  the water  table mound and associated 

salinization hazards.   Gallichard et al.  (1997) described  the  importance of a monitoring system  for 

groundwater  table  control,  soil  salinity  and  collector  discharge.  Gupta  et  al.  (1997)  studied  the 

spatial variability and developed appropriate monitoring strategies for non‐uniform soils. Benyamini 

et al.  (2005)  installed monitoring  systems perpendicular  to  the parallel  subsurface drains  to  study 

the mechanisms of salinization and the dynamics of the water table regime.  

This paper describes  the hydrogeological assessment of an SBC  trial  in  the Murrumbidgee 

Irrigation Area  (MIA)  in  southeast Australia. Owing  to  the hydrogeological  system of  the MIA,  the 

region  has  inherent  drainage  problems  that  have  been  aggravated  by  intensive  irrigation 

applications  leading  to  problems  of  rising water  tables  and  salinazation.  By  2001, more  than  80 

percent  of  the MIA  had water  tables within  2 m  from  the  land  surface  (Khan  et  al.,  2001).  The 

average volume of irrigation water used per irrigation season (270 days) in the MIA is about 1000 GL 

with an average electrical conductivity  (EC) of 0.1 dS/m. Shallow groundwater  salinity varies  from 

Page 6: This is the Author’s version of the paper published as

less than 2 dS/m to over 20 dS/m.  In the MIA, the salt load diverted from the Murrumbidgee River 

at  Berembed  Weir  and  delivered  to  farmers’  paddocks  each  year  is  about  115,000  tons.  The 

estimated  average  (1999‐2003)  drainage  volume  of  MIA  is  212,340  ML  per  year  (Pratt  Water 

Solutions, 2003) with an average winter salinity of 1.2 dS/m. These drainage volumes are well below 

the  long  time average mainly because of drought conditions. This study  focuses on understanding 

the groundwater dynamics of the SBC system with the shallow aquifer and its interactions with the 

deeper groundwater. The specific objectives are to determine groundwater movements (both lateral 

and  vertical)  using  a  detailed monitoring  network  and  to  evaluate  regional  impacts  of  the  SBC 

system at different scales using a groundwater model. 

 

2.  Hydrogeology of the study area 

The study area is situated in the Murrumbidgee Irrigation Area (MIA) on the northern side of a fluvial 

plain formed by the Murrumbidgee River. The climate of the MIA is characterised as semi‐arid with 

average annual rainfall ranging from 256 to 609 mm and annual evaporation  is 2100 mm. Average 

rainfall gets closer to average evapotranspiration during winter months of June and  July. The total 

irrigable  area  for  the MIA  is  156,605  ha  and  the main  agricultural  products  are  rice,  grapes  and 

citrus. Rice is the most dominant water user with more than 32,000 ha (14 % of the total land use) in 

2000. Rice growing started in the MIA in 1924, although rapid development of rice areas occurred in 

the 1970s and 1980s. Rice  is grown  in bays using flood water  irrigation, having the highest applied 

water of any crop  in the MIA of 15 ML/ha or 1500 mm. Previous studies have shown groundwater 

accessions of 1.2 ML/ha under rice and 0.58 ML/ha under horticulture (Neeson et al., 1995) 

The  topography consists of  flat plains with a mean elevation of  less  than 200m above sea 

level  although  low  hilly  outcrops,  extending  to  240m  above  sea  level  exist  on  the  north‐eastern 

flank. The land surface has an average slope of 0.04% in an east‐west direction. The geology of the 

Page 7: This is the Author’s version of the paper published as

MIA  is described by  three major aquifer  systems  i.e. Shepparton, Calivil and Renmark Formations 

(Brown and Stephenson, 1991). 

The  Shepparton  formations  mainly  consist  of  unconsolidated  to  poorly  consolidated, 

mottled, variegated clays, silty clays with lenses of polymictic, coarse to fine sand and gravel, partly 

modified by pedogenesis. 

The Calivil  formations  are mainly poorly  consolidated, pale  grey, poorly  sorted,  coarse  to 

granular quartz and conglomerate, with white kaolinitic matrix. 

The Renmark formations overlay the basaltic bed rock and are distinguished from the Calivil 

formations due to the presence of grey, carbonaceous sand, coal and lignite.  

 

3.  Methodologies 

3.1. Experimental set-up

A detailed groundwater monitoring set‐up was used to understand the dynamics of the groundwater 

mound. The experimental  layout consisted of 11 experimental SBC bays (totalling 11 ha) and 1 full 

sized bay of 4ha as shown in Fig. 2. The area of each of the SBC bays was 1 ha (250m x 40m) and 1 

(bay  11) was  0.33 ha. Use of holding  ponds was  to  store drainage water  to  adjust  its  salinity  to 

required  application  level.  The  instrument  set‐up  for  this  hydrological  investigation  comprised  2 

replicates of 12 piezometers with a depth of 3 m perforated at the bottom over a  length of 30 cm 

and 6 test wells perforated over the whole length. One set in each replicate is located within the full‐

scale SBC bay and  the  remaining are  located between  the  full‐scale SBC bay and  the bay 9 of  the 

experimental  bays  (Fig.  2).  The  piezometers  and  test  wells  were  fitted  with  data  loggers  to 

continuously monitor  the groundwater height at each  location. This piezometric data was used  to 

develop, calibrate and validate a MODFLOW model to quantify the local impacts of the full scale bay. 

Another array of 21 piezometers and test wells was installed in the experimental SBC bay 2 (Fig. 3). 

Page 8: This is the Author’s version of the paper published as

These piezometers and test wells were used to determine the internal drainage characteristics of the 

bays  and  the  lateral  and  vertical  leakage  from  them.  All  bays  were  artificially  drained  using 

perforated polyethylene drainpipe. The drain depth was 1.0‐1.2 m below ground surface and drain 

spacing  of  5 m.  Each  bay was  periodically  flood  irrigated  and  drained  through  the  tile  drainage 

system, on a 14‐day cycle.  

 

3.2.  Groundwater Model 

3.2.1   Quantification of local effects 

A  local  scale  2‐D  saturated  groundwater  model  to  explore  lateral  and  vertical  components  of 

groundwater  flow  was  developed  using  MODFLOW  (MacDonald  and  Harbaugh,  1988)  under  a 

Processing  MODFLOW  for  Windows  (PMWIN)  environment.  PMWIN  is  a  simulation  system  for 

modelling  groundwater  flow  and  transport  processes  and  is  the  most  powerful  graphical  user 

interface available for MODFLOW today (Chiang and Kinzelbach, 1998). The model domain consists 

of a 30 m deep and 54.5 m long strip and is represented by a 20 intervals mesh (varying from 0.5 to 8 

m size)  in the x‐direction and a 13  intervals mesh (varying from 0.5 to 5 m size)  in the z‐direction. 

This mesh  spacing ensures  that  the  ratio of dimensions of  two  consecutive mesh  intervals  is  less 

than  or  equal  to  2  to  avoid  errors  in  the  Taylor’s  approximation  for  spatial  finite  difference 

approximation.  The  top  model  boundary  is  a  transient  water  table  boundary  which  means 

groundwater  pressure  is  zero  and water  table  height  equals  elevation  (h=z).  The  bottom model 

boundary is a leakage boundary where the rate of leakage is specified by sinks at the centre of each 

cell. The  left and  right hand side boundary conditions are no  flow boundary  (dh/dx=0) and a  time 

dependent head boundary respectively. The head variations are specified using data from the deep 

piezometers.  

 

Page 9: This is the Author’s version of the paper published as

3.2.2.  Quantification of regional effects 

To determine the regional impacts of the SBC system, a regional groundwater model was developed 

by using spatial zooming techniques  (Szekely, 1998; Leake and Claar, 1999) from an existing  larger 

groundwater model of the MIA region (Khan et al., 2002). The dimensions of the resulting regional 

model of the SBC system are 8.25 km x 9 km. The modelled area was represented by 8448 cells (88 

cells in x and 96 cells in y‐direction) with dimensions of 93.75 x 93.75m. In the vertical direction, the 

model comprised four geologic  layers: Upper Shepparton Formation, Lower Shepparton Formation, 

Calivil  Formation  and  Renmark  Group  Formation.  The  soil  properties  of  each  of  the  layers  vary 

considerably as shown  in Table 1. The vertical thickness of the porous material beneath the model 

domain varied between 17 and 166 m depending upon the depth to bedrock. The parameters used 

in the regional model calibration are given in Table 1. 

 

3.3.  Model calibration and validation 

3.31.  Deep leakage and vertical flows at local scale 

The  model  was  calibrated  by  varying  the  initial  values  of  model  parameters  (Table  2)  within 

reasonable limits to minimise the difference between the observed and calculated hydrographs. The 

calibration was done for the data set from 20/12/1999 to 17/01/2000.  

The  initial  piezometeric  levels  in  the model  domain were  computed  by  fitting  a  second 

degree  polynomial  to  the  water  table  levels.  The  first  derivative  of  the  polynomial  equation 

approximated  to  the  lateral gradient. During  the calibration process discrepancy was noted  in  the 

observed and computed hydrographs using the estimates of the initial hydraulic properties (Table 2). 

However, matching was significantly improved using the calibrated hydraulic properties and leakage 

rates  (Table 2).   Fig. 4 shows a good match between computed and observed hydrographs  for the 

Page 10: This is the Author’s version of the paper published as

calibrated  model  parameters.  Computed  and  observed  hydrographs  at  the  other  piezometeric 

locations were in similar agreement. 

The sensitivity of model outputs to the parameters is determined by using root mean square 

error (ERMS) and scale root mean square error (ESRMS) by the following equations: 

 

ERMS     =  [ ] } )1()(11

2/12∑=

−⎩⎨⎧ n

i

HihiWin

 

ESRMS =    )2()(

100

1∑ −−

n

i ii

RMS

Hh

where n  is  the number of observations,   Wi    the weighting  factor, hi    the computed head, Hi      the 

observed  head, ∑ −−

n

i ii Hh1

)(   is  the  accumulative  difference  between  observed  and  computed 

heads. 

The  ERMS  and  ESRMS  obtained  for  different  estimates  of  vertical  leakage  and  hydraulic 

conductivity parameters are given in Tables 3 and 4. The model sensitivity is tested for four scenarios 

of  both  vertical  conductivity  and  deep  leakage  rates.  Table  3  shows  that  the model  is  not  very 

sensitive  to  the vertical hydraulic conductivity estimates  in  the  range of 1 and 3 mm/day keeping 

both horizontal  consuctivity and deep  leakage  constant  for all  cases: Kx = 4 mm/day and q =  ‐0.2 

mm/day, respectively. The sensitivity to deep  leakage  is tested at Kx = Kz = 4 mm/day for all cases. 

The  guidelines  on  groundwater modelling  by  the Murray  Darling  Basin  Commission  (Middlemis, 

2001) show that the model calibration is good if ESRMS is less than 5 %. In the present study, assuming 

isotropic soil hydraulic properties (Kx = Kz), the model results show minimum ESRMS values (ESRMS < 1.2) 

for a vertical leakage rate of 0.2 mm/day. The initial hydraulic heads derived from the second order 

regression of the water table  level on the 8th of September 1999 were used to validate the model 

results. Computed hydrographs for piezometers Pz‐6 and Pz‐8 (Fig. 2) for the validation period are in 

Page 11: This is the Author’s version of the paper published as

close  agreement with  the  observed  hydrographs  (Figs.  5  and  6).  To  determine  the  leakage  rate 

beneath the SBC system, two independent methods were used: 

(1)  computation  of  the  leakage  rate  from  the  volumes  of  water  contained  between  the 

successive water table profiles after the water table falls below tile drains, and 

(2)  computation of  the  time dependent  vertical  gradient  and  leakage  rate using Darcy’s  flow 

formula. 

  In the first method, the drainage rate (Q) from the underlying tile drains is computed using 

the concept of declining of water table (∆d) over time (∆t) by the following equation: 

)3(t

dPQ d

ΔΔ

=  

Where Q  is  the drainage  rate per unit area based on water  table measurements  (m/day),  ∆d  the 

change in water table depth (m), Pd the drainable porosity (%), and ∆t is the time interval (day). 

3.3.2. Deep leakage and vertical flows at regional scale 

In the vertical direction, the model comprised of four layers varying considerably in thickness. Initial 

pressures  of  the  groundwater  levels  in  different  layers were  based  on  the  piezometer  levels  of 

September 1995. Model parameters used in calibration are given in Table 1.  

Monthly stress periods with six time steps were used to represent the time domain. Water 

balance  components  such  as  fallow  evaporation  (ET  –  terminology used by MODFLOW package), 

irrigation recharge and rainfall recharge based on monthly rainfall data were added  to  the model. 

The ET was used simulate direct loss from the water table. The maximum from the bare soil surface 

occurs when the water table is less than 0.7m below the soil surface and ET is assumed to decrease 

linearly with the water table depth until reaching the limiting depth of 1.5m, where ET = 0. Regional 

groundwater  inflow and outflow  from  the model domain  is  represented by head boundaries. The 

Page 12: This is the Author’s version of the paper published as

model was calibrated from observed data for piezometers in the model domain from 1995 to 1999 

(stress period of 0 ‐ 1440 days). The data for this analysis was piezometric levels before and after the 

winter rains. Fig. 7 shows that computed and observed piezometric levels compare well. 

 

4.  Results and discussion 

4.1.   Local impacts 

Fig. 8 shows the flow vectors  in the model domain at the end of calibration period. At the edge of 

the  re‐use  bay  the  flow  vectors  are  close  to  vertical  and  tending  to  be  more  inclined  to  the 

horizontal axis away from the edge. This indicates that vertical leakage occurs beneath the bay and 

lateral  flow  occurs  away  from  the  edge  of  the  bay.  The  equipotential  lines  in  the  figure  show 

pressure  heads  which  show  a  decreasing  pattern  both  vertically  and  horizontally.  Using  the 

groundwater levels in the model domain after 30 days of simulation, the differential of the second‐

degree polynomial at x = 54 m (distance from the bay) gives a horizontal gradient of 0.14. Therefore, 

the  lateral  flow  is  the  gradient multiplied  by  the  hydraulic  conductivity  which  is  approximately 

equivalent to 0.6 mm/day for K = 4 mm/day. The model sensitivity in Table 4 reveals that the vertical 

leakage is 0.2 mm/day for minimum values of both ERMS and ESRMS. This situation illustrates that the 

lateral flow is three times greater than the vertical flow from the full‐scale bay. 

Fig. 9 shows the time variant response in 6 test wells (measuring shallow water tables) in bay 

2 of the 11 experimental SBC bays. Test wells located close to both plugged (every other drain was 

plugged to reduce the drainage rate) and unplugged drains (at 0.5 and 5.0 m from the unplugged tile 

drain) show a rapid rise and decline in the water table level following an irrigation event. Test wells 

located away from the tile drains show a steady rate of decline following the irrigation events. There 

are three  irrigation events shown  in Fig. 9 coinciding with water table peaks closer to the plugged 

Page 13: This is the Author’s version of the paper published as

drain.  It  is  concluded  that  the  plugged  drain  and  the  surrounding  packing  material  provide 

temporary storage and preferential flow and therefore act as sink lowering the water table above it. 

The average change  in water table  level was used to determine the rate of drainage when 

the watertable was above or below the tile drain. Using Eq. (3), the average rate of drainage (Q) was 

11.67 mm/day when the water table was above the tile drains and 0.94 mm/day when it was below 

the  tile  drains  as  shown  in  Tables  5  and  6.  This  indicates  that  average  drainage  rate  to  the  tile 

drainage system was 10.73 mm/day (92% of the total flux) and 8% of water was lost to the aquifer 

through the deep leakage beyond the tile drains. 

It  is observed  that  the vertical gradient between  the 4 and 7m deep piezometer at 2.5 m 

distance from the tile drain varies with time where as the vertical gradient just below the tile drain 

remains unaffected. This is due to the two dimensional nature of flow at 2.5 m distance from the tile 

drain  (Khan  and  Rushton,  1996a,b,c).  The  average  vertical  gradient  just  below  the  tile  drain  is 

computed as 0.307 and it can be used to determine the deep leakage rate to the regional aquifers. 

Using the calibrated hydraulic conductivity of 4 mm/day and vertical hydraulic gradient of 0.307, the 

vertical leakage according to Darcy’s flow formula is 1.2 mm/day. The difference of the deep leakage 

below the tile drains by two different methods of calculation (Eq. (3) and Darcy’s Law)  is 22% (the 

vertical  leakage  rate  of  0.94  mm/day  was  obtained  from  the  average  rate  of  drainage  in  the 

preceding  section).  It  is  concluded,  therefore,  that  the  deep  leakage  below  the  tile  drains  is 

approximately 1 mm/day. 

 

4.2  Regional impacts 

The  following  scenarios were  run  to  evaluate  groundwater  impact  of  the  following  sizes  of  SBC 

operations: 

• No SBC operation (Base scenario) 

Page 14: This is the Author’s version of the paper published as

• 50 ha site (Scenario – 1) 

• 100 ha site (Scenario – 2) 

• 500 ha site (Scenario – 3) 

• 1000 ha site (Scenario – 4) 

• 2000 ha site (Scenario – 5) 

For  each  of  the modelled  scenarios  the model  was  run  for  25  years.  The  difference  in 

hydraulic pressures  in  layer‐1  (Upper Shepparton Formation) at  the end of simulation period  (25th 

year) was deducted from the base scenario (no SBC operation). This allowed calculating the rise of 

piezometeric levels due to each of the operational scenarios. 

  The modelling results show that the overall watertable rise under the SBC site is around 1.3 

meters for the 50 ha site. This water table rise occurs in the first year but it does not change during 

the 25 years of operation, because of induced heavy drainage from the tile drains laid at 1.2 metre 

depth. The  lateral spread of the groundwater mound did not extend beyond 50 m  from the outer 

edge of the bays. 

Fig.  10  shows  the  net  water  table  change  of  the  100,  500,  1000  and  2000  ha  sizes  of 

operation of the SBC. Similar to the 50 ha site, the overall depth of the water table under the SBC 

bays remains at the depth of the tile drains which causes a rise of 1.0 ‐ 2.5 m (depending on  initial 

depth  to  the water  table) under  the site and  to a distance of 50 m  from  the site. The water  table 

under SBC site reaches quasi equilibrium at the depth of the drain with periodic rise and fall around 

the  tile  drain  depth.  The  increasing  size  of  SBC  (for  example  2000  ha)  shows  slightly  increased 

interactions with surrounding areas, this causes wider spreading of net water table change effects 

exacerbated  by  spatially  variable  hydraulic  conductivity  and  zones  of  groundwater  pumping 

influence from a nearby abstraction bore. The long‐term 25 year modelled operation of the SBC site 

shows the tile drains maintaining the water table depth at drain depth. 

 

Page 15: This is the Author’s version of the paper published as

5.  Conclusions 

The  detailed  monitoring  of  groundwater  dynamics  and  the  modelling  of  the  SBC  operations 

demonstrate that the vertical and  lateral  leakage at the edge bays  is around 0.2 and 0.6 mm/day, 

respectively. The deep leakage beneath the SBC bays is approximately 1 mm/day. The shallow initial 

water  table and  the very  low hydraulic conductivity keep  the  lateral extension of  the water  table 

mound within 50 m. During the irrigation/ponding operations 8% of the saturated groundwater flow 

above  the  tile drains  contributes  to  the deep  leakage. The  simulations  show  that  the water  table 

reaches  a  quasi  equilibrium  at  the  depth  of  the  drains  with  periodic  rise  and  fall  in  tune  with 

irrigation application and drainage operation whenever an SBC system with intensive tile drainage is 

set up on heavy clay soils with low saturated hydraulic conductivity. 

Modelling scenarios of various sizes of SBC sites suggest that the overall water table  levels 

remain at the depth of the tile drains which brings about a groundwater mound of 1 ‐ 2.5 m on‐site 

(depending on the initial water table depth) and to a distance of 50 m laterally over time. The local 

and  regional  impacts of  SBC  systems  in  lighter  soils and prior  stream areas  are  likely  to be quite 

different than those presented in this study. In order to develop SBC operations at other locations, a 

GIS‐based site suitability assessment model is recommended to assess the SBC effect under different 

soil and hydrogeological conditions. 

 

Acknowledgements 

The  authors  wish  to  acknowledge  the  funding  support  of  the  National  Heritage  Trust  and  the 

Cooperative  Research  Centre  for  Sustainable  Rice  Production  (CRC‐Rice),  which made  this  work 

possible.  Technical support provided by CSIRO scientists,  L.  Short,  L.  Best,  J.  Townsend,  N. 

Jayawardane, T. Biswas and J. Foley is greatly appreciated. Scientific comments from the anonymous 

Page 16: This is the Author’s version of the paper published as

reviewers and Joint Editor‐in‐Chief Willy Dierickx have been very useful  in  improving the quality of 

this paper. 

 

REFERENCES 

Benyamini, Y., Mirlas, V., Marish, S., Gottesman, M., Fizik, E., and Agassi, M., 2005. A

survey of soil salinity and groundwater level control systems in irrigated fields in the Jezre’el

Valley, Israel. Agric. Water Management, 76:181–194

Bethune, M.G., Gyles, O.A., and Wang, Q.J., 2004. Options for management of saline ground water in 

an irrigated farming systems. Aus. J. Exp Agri. 44:181‐188 

 

Blackwell, J., 2000. From saline drainage to irrigated production. Research Project sheet 18,

CSIRO Land and Water. Available Online:

http://www.clw.csiro.au/publications/projects/projects18.pdf

Brown and Stephenson, 1991. Geology of the Murray Basin South Eastern Australia, Bureau

of Mineral Resources, Australia, Bulletin 235.

Chiang, W. and Kinzelbach, W., 1998. Processing MODFLOW user manual.

Gallichard, J., Broughton, R.S., Ghany, M., El-Badry, O., 1997. Subsurface drainage of field

test plots in the Nile Delta of Egypt. J. Int. Commission of Irrigation and Drainage (ICID) 46

(2), 31–45.

Page 17: This is the Author’s version of the paper published as

Gupta, R.K., Mostaghimi, S., McClellan, P.W., Alley, M.M., Brann, D.E., 1997. Spatial

variability and sampling strategies for NO3-N, P, and K determinations for site-specific

farming. Trans. Am. Soc. Ag. Eng. 40 (2), 337–343.

Jayawardane, N.S., Cook, F.J., Blackwell, J., Ticehurst, J., Nicoll, G. and Wallet, D.J., 1997.

Final report on hydraulic flow properties of the FILTER system during the period November

1994 to November 1996. CSIRO Consultancy Report No. 97-42.

Jayawardane, N., 2000. The FILTER System – tuning effluent into an asset. Research Project

sheet 20, CSIRO Land and Water. Available Online:

http://www.clw.csiro.au/publications/projects/projects20.pdf

Khan, S. and Rushton, K.R., 1996a. Reappraisal of flow to tile drains, I. Steady state

response. Journal of Hydrology, 183:351-366 .

Khan, S. and Rushton K.R., 1996b. Reappraisal of flow to tile drains, II. Time-variant

response. Journal of Hydrology, 183:367-382.

Khan, S. and Rushton K.R., 1996c. Reappraisal of flow to tile drains, III. Drains with limited

flow capacity. Journal of Hydrology, 183:383-395

Khan, S., Short, L., Best, L., Townsend, J., Blackwell, J., Jayawardane, J., and Biswas, T,

2001. Hydrogeological Assessment of Onsite and Regional Impacts of FILTER and SBC.

Technical Report Number 10/01, CSIRO Griffith Laboratory.

Page 18: This is the Author’s version of the paper published as

Khan, S., Best L., and Wang, B., 2002. Surface-ground water interaction model of the

Murrumbidgee Irrigation Area (development of the hydrogeological databases). CSIRO Land

and Water Technical Report 36/02. Available Online:

http://www.clw.csiro.au/publications/technical2002/tr36-02.pdf

Kivaisi, A.K., 2001. The potential for constructed wetlands for wastewater treatment and

reuse in developing countries: a review. Ecological Engineering, 16: 545–560

Leake, S.A., and Claar, D.V., 1999. Procedures and programs for telescopic mesh

refinements using MODFLOW, USGS Open file report number 99-238

MacDonald, M.G., and Harbaugh, A.W., 1988. A modular three dimensional finite difference

groundwater flow model. United States Geological Survey.

Middlemis, H., 2001. Groundwater Flow Modeling Guidelines. MDBC-Murray Darling

Basin Commission, Canberra.

Neeson, R., Glasson, A., Morgan, A., Macalpine, S., Darnley-Naylor, M., 1995. On-Farm

Options: Murrumbidgee Irrigation Areas and Districts – Land and Water Management Plan.

New South Wales Agriculture Department, Sydney, pp. 121.

Oron, G., 1993. Recycling drainage water in San Joaquin Valley, California. J. Irrig.

Drainage Eng. 119, 265–285.

Pratt Water Solutions, 2003. Sequential Biological Concentration – Review. A study

conducted for the Pratt Water Murrumbidgee Valley Water Efficiency Feasibility Project.

Dennis E Toohey and Associates, Agribusiness Consultants, Albury, NSW, Australia.

 

Page 19: This is the Author’s version of the paper published as

Rhoades, J.D., Chanduvi, F., Lesch, S., 1999. Soil Salinity Assessment—Methods and Interpretation of 

Electrical Conductivity Measurements. FAO Irrigation and Drainage Paper 57, Rome, Italy. 

 

Su, N., Bethune, M., Mann, L. and Heuperman, A. 2005. Simulating water and salt movement in tile‐

drained  fields  irrigated  with  saline  water  under  a  Serial  Biological  Concentration  management 

scenario. Agric. Water Management, 78: 165–180 

Szekely, F., 1998. Windowed spatial zooming in finite difference groundwater flow models.

Groundwater 36(5): 718-721

Tanji, K.K. and Karajeh, F.F., 1993. Salt drain water reuse in agro-forestry systems. J. Irrig.

Drainage Eng. 119: 170–180.

 

UNESCO,  2006. World Water  Development  Report  2  ‐  'Water,  a  shared  responsibility'.  Available 

online:http://www.unesco.org/water/wwap/wwdr2/ 

Page 20: This is the Author’s version of the paper published as

TABLES 

 

Table 1: Hydraulic parameters for calibration of regional scale model 

 Layers  Horizontal conductivity (m/day) 

Drainable porosity (%) Layer thickness (m) 

Min  Max  Min  Max  Min  Max 

Layer 1   0.0086  0.89  5.9  9.7  12  12 

Layer 2   0.00055  0.99  6.1  10.2  5  9 

Layer 3  0.12  11.87  NA  NA  0.25  52 

Layer 4   7.24  37.44  NA  NA  0.25  100 

 

Table 2: Hydraulic parameters for calibration of local scale model 

Parameters  Initial values 

 

Optimized values 

Horizontal Conductivity (m/day)  0.001  0.004 

Vertical Conductivity (m/day)  0.001  0.004 

Deep leakage (m/day)  ‐0.001  ‐0.0002 

Drainable porosity (%)  6  6 

 

Table 3: Model sensitivity to vertical conductivity 

Vertical conductivity (mm/day)  Root Mean Square Error (ERMS) (m) 

Scaled RMS Error (ESRMS) (%) 

3.0  0.0465  1.112 

2.5  0.0456  1.090 

2.0  0.0451  1.079 

1.5  0.0454  1.087 

Page 21: This is the Author’s version of the paper published as

1.0  0.0472  1.130 

 

Table 4: Model sensitivity to deep leakage rates 

Deep Leakage (mm/day)  Root Mean Square Error (ERMS) (m) 

Scaled RMS Error (ESRMS) (%) 

‐1  0.168  4.010 

‐0.4  0.0585  1.400 

‐0.2  0.0496  1.188 

‐0.09  0.0671  1.606 

 

 

Page 22: This is the Author’s version of the paper published as

Table 5: Rate of water table decline when above tile drain level 

Date  Time (h) 

Area of the unsaturated zone as water table declines 

(m2) 

Average depth

to water table

(m) 

Drainage rate 

(mm/day) 

09‐February  07:00  2.493  0.499   

10‐February  07:00  3.506  0.701  12.2 

04‐March  16:00  2.969  0.594   

05‐March  16:00  3.927  0.785  11.5 

18‐March  01:00  1.744  0.349   

19‐March  01:00  2.682  0.535  11.3 

 

Table 6: Rate of water table decline when below tile drain level 

Date  Time (h) 

  Area of the unsaturated zone as water table declines 

(m2) 

Average depth 

to water table 

(m) 

Drainage rate 

(mm/day) 

14‐February  17:00  5.013  1.003   

15‐February  17:00  5.070  1.014  0.7 

16‐February  17:00  5.225  1.045  1.9 

17‐February  17:00  5.363  1.073  1.7 

18‐February  17:00  5.448  1.089  1.0 

19‐February  17:00  5.484  1.097  0.4 

20‐February  17:00  5.499  1.099  0.2 

21‐February  17:00  5.561  1.112  0.7 

 

Page 23: This is the Author’s version of the paper published as

FIGURES 

 

 

Figure 1: Schematic view of possible layouts, flows and concentrations of the SBC system 

 

 

 

 

Page 24: This is the Author’s version of the paper published as

Figure 2: Experimental set‐up to monitor groundwater dynamics 

 

Figure 3: Vertical section of deep drainage experiment in SBC bay 2 

 

 

 

Page 25: This is the Author’s version of the paper published as

116.8

117

117.2

117.4

117.6

117.8

118

118.2

0 5 10 15 20 25 30

Time (days)

Pz8 Calculated Pz8 Observed

Figure 4: Calibrated computed and observed Pz-8 hydrographs

116.6

116.8

117

117.2

117.4

117.6

117.8

118

0 5 10 15 20 25 30

Time (days)

Pz6 calculated Pz6 Observed

 

 

Figure 5: Validated computed and observed Pz-6 hydrographs

 

Page 26: This is the Author’s version of the paper published as

116.6

116.8

117

117.2

117.4

117.6

117.8

118

0 5 10 15 20 25 30

Time (days)

Pz8 calculated Pz8 Observed

 

Figure 6: Validated computed and observed Pz‐8 hydrographs 

Page 27: This is the Author’s version of the paper published as

114

114.5

115

115.5

116

116.5

117

117.5

118

0 1 2 3 4Years

Computed Observed

Figure 7: Calibration results of the regional model for a given piezometer  

 

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

95

100

105

110

115

Length of Section (m)

Piez

omet

ric L

evel

(m A

HD

)

Figure 8: Model simulations leakage showing flow vectors 

 

Page 28: This is the Author’s version of the paper published as

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

25-Jan-00 04-Feb-00 14-Feb-00 24-Feb-00 05-Mar-00 15-Mar-00 25-Mar-00 04-Apr-00 14-Apr-00 24-Apr-00

Time

0.5 1 2.5 4 4.5 5

Distance from Open Drain (m)

 

Figure 9: Fluctuations of water table between the plugged and unplugged tile drains 

 

 

Page 29: This is the Author’s version of the paper published as

Figure 10: Net rise of pressure levels in Upper Shepparton aquifer system after 25 years of operation of (a) 100 ha (b) 500 ha (c) 1000 ha and (d) 2000 ha sites