Temporal interpolation of groundwater level hydrographs for regional drought analysis using mixed models

Large-scale studies of the spatial and temporal variation of groundwater drought status require complete inventories of groundwater levels on regular time steps from many sites so that a standardised drought index can be calculated for each site. However, groundwater levels are often measured sporad...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Hydrogeology journal 2022-09, Vol.30 (6), p.1801-1817
Hauptverfasser: Marchant, B. P., Cuba, D., Brauns, B., Bloomfield, J. P.
Format: Artikel
Sprache:eng
Online-Zugang:Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Large-scale studies of the spatial and temporal variation of groundwater drought status require complete inventories of groundwater levels on regular time steps from many sites so that a standardised drought index can be calculated for each site. However, groundwater levels are often measured sporadically, and inventories include missing or erroneous data. A flexible and efficient modelling framework is developed to fill gaps and regularise data in such inventories. It uses linear mixed models to account for seasonal variation, long-term trends and responses to precipitation and temperature over different temporal scales. The only data required to estimate the models are the groundwater level measurements and freely available gridded weather products. The contribution of each of the four types of trends at a site can be determined and thus the causes of temporal variation of groundwater levels can be interpreted. Validation reveals that the models explain a substantial proportion of groundwater level variation and that the uncertainty of the predictions is accurately quantified. The computation for each site takes less than 130 s and requires little supervision. Hence, the approach is suitable to be upscaled to represent the variation of groundwater levels in large datasets consisting of thousands of boreholes. Les études à grande échelle de la variation spatiale et temporelle de l’état de sécheresse des eaux souterraines nécessitent des inventaires complets des niveaux des eaux souterraines à des intervalles de temps réguliers à partir de nombreux sites afin qu’un indice de sécheresse standardisé puisse être calculé pour chaque site. Cependant, les niveaux des eaux souterraines sont souvent mesurés sporadiquement, et les inventaires comprennent des données manquantes ou erronées. Un cadre de modélisation souple et efficace est développé pour combler les lacunes et régulariser les données de ces inventaires. Il utilise des modèles mixtes linéaires pour tenir compte des variations saisonnières, des tendances à long terme et des réponses aux précipitations et à la température sur différentes échelles temporelles. Les seules données requises pour estimer les modèles sont les mesures du niveau des eaux souterraines et les produits météorologiques librement disponibles avec des valeurs selon une grille. La contribution de chacun des quatre types de tendances sur un site peut être déterminée et ainsi les causes de la variation temporelle des niveaux des eaux sou
ISSN:1431-2174
1435-0157
DOI:10.1007/s10040-022-02528-y