Seawater intrusion in complex geological environments

Abstract

Modelling seawater intrusion (SWI) has evolved from a tool for understanding to a water management need. Yet, it remains a challenge. Difficulties arise from the assessment of dispersion coefficients and the complexity of natural systems that results in complicated aquifer geometries and heterogeneity in the hydraulic parameters. Addressing such difficulties is the objective of this thesis. Specifically, factors that may affect the flow and transport in coastal aquifers and produce heterogeneous salinity distributions are studied.<br/><br/>First, a new paradigm for seawater intrusion is proposed since the current paradigm (the Henry problem) fails to properly reproduce observed SWI wedges. Mixing is represented by means of a velocity dependent dispersion tensor in the new proposed problem. Thereby, we denote it as "dispersive Henry problem". SWI is characterized in terms of the wedge penetration, width of the mixing zone and influx of seawater. We find that the width of the mixing zone depends basically on dispersion, with longitudinal and transverse dispersion controlling different parts of the mixing zone but displaying similar overall effects. The wedge penetration is mainly controlled by the horizontal permeability and by the geometric mean of the dispersivities. Transverse dispersivity and the geometric mean of the hydraulic conductivity are the leading parameters controlling the amount of salt that enters the aquifer.<br/><br/>Second, the effect of heterogeneity was studied by incorporating heterogeneity in the hydraulic permeability into the modified Henry problem. Results show that heterogeneity causes the toe to recede while increases both the width and slope of the mixing zone. The shape of the interface and the saltwater flux depends on the distribution of the permeability in each realization. However, the toe penetration and the width of the mixing zone do not show large fluctuations. Both variables are satisfactorily reproduced, in cases of moderate heterogeneity, by homogeneous media with equivalent permeability and either local or effective dispersivities.<br/><br/>Third, the effect of aquifer geometry in horizontally large confined aquifers was analyzed. Lateral slope turned out to be a critical factor. Lateral slopes in the seaside boundary of more than 3% cause the development of horizontal convection cells. The deepest zones act as preferential zones for seawater to enter the aquifer and preferential discharging zones are developed in the upwards lateral margins. A dimensionless number, Nby, has been defined to estimate the relative importance of this effect.<br/><br/>All these factors can be determinant to explain the evolution of salinity in aquifers such as the Main aquifer of the Llobregat delta. Finally, a management model of this aquifer is developed to optimally design corrective measures to restore the water quality of the aquifer. The application of two different optimization methodologies, a linear and a non-linear optimization method, allowed (1) to quantify the hydraulic efficiency of two potential corrective measures: two recharge ponds and a seawater intrusion barrier; (2) to determine the water necessary to be injected in each of these measures to restore the water quality of the aquifer while minimizing changes in the pumping regime and (3) to assess the sustainable pumping regime (with and without the implementation of additional measures) once the water quality has been restored. Shadow prices obtained from linear programming become a valuable tool to quantify the hydraulic efficiency of potential corrective measures to restore water quality in the aquifer.

La modelación de la intrusión marina ha pasado de ser una herramienta de conocimiento a convertirse en una necesidad para la gestión de acuíferos costeros. Sin embargo, dicha modelación continua suponiendo un reto. Las dificultades provienen de la difıcil evaluación de los coeficientes de dispersión y de la complejidad de los sistemas naturales que se traduce en la existencia de complicadas geometrías de los acuíferos y en la heterogeneidad en los parámetros hidráulicos. El objetivo de esta tesis es abordar estas dificultades y, mas específicamente, los factores que pueden afectar al flujo y transporte en acuíferos costeros produciendo distribuciones heterogéneas de salinidad. En primer lugar, se ha definido un nuevo paradigma para la intrusión marina, ya que el existente (el problema de Henry) no reproduce adecuadamente las cunas de intrusión marina observadas. En el nuevo paradigma, la mezcla se representa por medio de un tensor de dispersión dependiente de la velocidad, por ello, se denomina ’problema de Henry dispersivo. La intrusión marina se caracteriza por la penetración de la interfaz, el ancho de la zona de mezcla y el flujo de agua salada que entra en el acuífero. El ancho de la zona de mezcla depende, básicamente, de la dispersión. La dispersión transversal y longitudinal afectan a diferentes partes de la zona de mezcla aunque su efecto global es similar. La penetración de la cuña está controlada fundamentalmente por la permeabilidad horizontal y por la media geométrica de los coeficientes de dispersión. La dispersión transversal y la media geométrica de las permeabilidades son los parámetros que rigen la cantidad de agua salada que penetra en el acuífero. En segundo lugar, se estudia el efecto en el problema de Henry dispersivo de la heterogeneidad en la conductividad hidráulica. Los resultados muestran que la heterogeneidad produce un retroceso de la penetración de la cuna, mientras aumenta en el ancho y la pendiente de la zona de mezcla. La forma de la interfaz y el flujo de agua salada son función de la distribución de las permeabilidades en cada realización. Sin embargo, los resultados de la penetración de la cuña y el ancho de la zona de mezcla no presentan grandes fluctuaciones. En caso de heterogeneidad moderada,ambas variables pueden ser reproducidas de forma satisfactoria por un medio homogéneo con dispersión local o efectiva. En tercer lugar, se analiza el efecto de la geometría en acuíferos confinados de gran extensión horizontal. La pendiente lateral resulta ser un factor critico. Pendientes laterales de mas de un 3% inducen el desarrollo de celdas de convección horizontales. Las zonas más profundas actúan de zonas preferentes de entrada de agua salada mientras que las zonas preferentes de descarga se sitúan más cerca de los márgenes laterales, más someros. Para estimar la importancia relativa de este efecto, se define un numero adimensional, Nby, que compara el empuje del agua dulce hacia el mar con la componente lateral de la flotación. Todos estos factores pueden ser determinantes para explicar la evolución de la salinidad en acuíferos como el acuífero principal del delta del río Llobregat. Finalmente, se ha desarrollado un modelo de gestión para diseñar, de forma óptima, medidas correctoras para recuperar la calidad del agua de dicho acuífero. La aplicación de dos metodologías de optimización diferentes, una lineal y otra no lineal, ha permitido (1) cuantificar la eficiencia hidráulica de dos potenciales medidas correctoras: dos balsas de recarga artificial y una barrera contra la intrusión marina; (2) determinar el caudal de agua a inyectar en cada una de las medidas correctoras para restaurar la calidad del agua del acuífero procurando minimizar los cambios con respecto al régimen de bombeo actual ´ y (3) evaluar el régimen de explotación sostenible, con y sin medidas correctoras, una vez que la calidad del acuífero se haya recuperado. Los precios sombra obtenidos de la programación lineal resultan una valiosa herramienta para cuantificar la eficiencia hidráulica de las medidas propuestas