An integrated study of hydraulic anisotropy and its impact on saltwater intrusion in an inland aquifer: Laboratory method, modeling, and recommendations

Abstract

The two-dimensional hydraulic anisotropy (a), defined as the ratio of horizontal to vertical hydraulic conductivity (Kh/Kv), is a standard parameter of hydrogeological characterization, However, a is not routinely determined and correspondingly its value is often empirically set to 10 in the numerical modeling studies for solving anisotropic problems in sediments, owing to the fact that one of the challenging tasks hydrogeologists face today is the high- resolution characterization of directional hydraulic conductivity (DHC) in sediments. Therefore, an integrated laboratory method, called modified constant-head permeameter test (MCHPT), was established for the efficient determination and verification of consistent DHC values in fine-to-medium sandy sediments, based on a new methodological framework that includes a precise and standardized procedure for preparing the experimental setup. As known, detailed information on a can provide an important fundament for modeling transport phenomena in sediments, e.g. saltwater intrusion. Saltwater intrusion is a widespread problem of continuing great practical interest in many coastal and inland aquifers all over the world, which is considered a special category of contamination to make groundwater unsuitable for human, industry and irrigation uses. There is an increasingly significant effect of salinization in most abstraction wells with a great depth of ~ 50 m below the surface in an inland aquifer at the Beelitzhof waterworks in southwestern Berlin (Germany) and a very thin film of saline groundwater (centimeter scale) has been observed in fine-to-medium sandy sediments on the top of the Rupelian clay at the site, thus, it could be assumed that Elsterian glacial channels would be in the close vicinity of the site, which results in saltwater upconing owing to pressure release by pumping a large amount of groundwater in drinking-water-production wells. Consequently, the impact of a on the intensity of saltwater intrusion due to pumping at the site was demonstrated based on the precise quantification of an a value of 2.3 using MCHPT in comparison with the empirical value of 10, by developing a conceptual model representative of the field situation and implementing it in a numerical density-dependent groundwater flow and solute transport model. During the aforementioned modeling study, it has been found to be not yet able to be proven at the site whether there are hydraulic windows in the clay caused by glacial erosion or not. Therefore, two hypotheses about geological conditions in an inland aquifer leading to pathways for upwelling deep saline groundwater due to pumping, were raised as to: (1) there are windows in the clay, where their locations are uncertain; and (2) there are no windows in the clay, but the clay is partially thinned out but not completely removed by glacial erosion, so salt can merely come through the clay upwards by diffusion and eventually accumulate on its top. These hypotheses were tested to demonstrate the impact of the lateral distance between windows in the clay and the well, as well as salt diffusion through the clay depending on its thickness on saltwater intrusion in the pumping well respectively. Hypothesis 1 was validated with 4 scenarios that windows could occur in the clay at the site and their locations under some conditions could significantly cause saltwater intrusion, while hypothesis 2 could be excluded, because salt diffusion through the clay with thickness greater than 1 m at the site was not able to cause saltwater intrusion. On the basis of the validated deep saline- groundwater source, two recommendations of pumping optimization were provided to control saltwater intrusion in an inland aquifer for drinking-water supply at the site. In terms of pumping-rate reduction, the optimal pumping rate was validated for eliminating the effect of saltwater intrusion. Its value could be set 1.39×10-2 m3/s (50 m3/h) or 5.56×10-3 m3/s (20 m3/h), if the requirement of drinking water palatability were good or excellent, respectively. With regard to pumping-pattern rearrangement, the well construction was modified to access bank filtration for eliminating the effect of saltwater intrusion. Overall, this thesis has conducted an integrated study of hydraulic anisotropy and its impact on saltwater intrusion in an inland aquifer. Its highlights can be summarized as to: (1) It is the first time to efficiently determine and verify precise consistent DHC values in fine-to- medium sandy sediments by developing an integrated laboratory method called MCHPT; and (2) it is the first time to identify deep saline-groundwater sources in an inland aquifer and validate their impacts on saltwater intrusion by testing for two hypotheses about geological conditions leading to pathways for upwelling deep saline groundwater due to pumping, using a density- dependent groundwater flow and solute transport model.

Die zweidimensionale hydraulische Anisotropie (a), die als das Verhältnis der horizontalen zur vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit (Kh/Kv) definiert ist, ist ein Standardparameter der hydrogeologischen Charakterisierung und stellt eine wichtige Grundlage für die Modellierung von Transportphänomenen in Sedimenten dar. Dieser Parameter wird jedoch nicht routinemäßig bestimmt. Dementsprechend wird sein Wert in den numerischen Modellierungsstudien oft empirisch auf 10 gesetzt, um anisotrope Situationen in Sedimenten abzubilden. Tatsächlich ist heute die hochauflösende Charakterisierung der direktionalen hydraulischen Leitfähigkeit (DHC) in Sedimenten eine nicht leicht zu lösende Aufgabe und erfordert einen hohen messtechnischen Aufwand. Aus diesem Grund wurde eine integrierte Labormethode in Form eines modifizierten Permeameterversuchs bei konstanter Druckhöhe (MCHPT) konzipiert, um die effiziente Bestimmung und Überprüfung von konsistenten DHC-Werten in feinen bis mittleren sandigen Sedimenten durchführen zu können. Die Berücksichtigung der Anisotropie eines Grundwasserleiters ist unter anderem bedeutend bei der Untersuchung und Bewertung von Salzwasserintrusionen. Salzwasserintrusion ist ein im globalen Maßstab auftretendes Phänomen in Küstenregionen, welches erhebliche Konsequenzen für die Nutzung der natürlichen Ressourcen in diesen Gebieten hat. Salzwasserintrusion kann als eine besondere Kategorie der Grundwasserkontamination angesehen werden, denn hochmineralisiertes Wasser ist für die Trinkwassergewinnung und Bewässerung landwirtschaftlicher Kulturen ungeeignet. Auch in einem Binnengrundwasserleiter im Bereich des Beelitzhofer Wasserwerkes im Südwesten von Berlin (Deutschland) ist eine zunehmende Versalzung in den meisten tief verfilterten Brunnen zu beobachten. Ein sehr dünner Film von salzigem Grundwasser (Zentimeter-Skala) wurde in fein- bis mittelkörnigen Sanden im Hangenden des unteroligozänen Rupeltons (Grundwassergeringleiter) festgestellt. Daher kann davon ausgegangen werden, dass elsterglaziale Rinnenstrukturen einen Salzwasseraufstieg im Bereich von trinkwasserproduzierenden Brunnen erheblich begünstigen. In früheren Arbeiten konnte eine Korrelation zwischen der hydraulischen Anisotropie a, der Grundwasserabsenkung und dem Salzwasserauftstieg nachgewiesen werden. Im Rahmen der hier durchgeführten Untersuchungen konnte der Einfluss der Anisotrope a auf die Intensität der Salzwasserintrusion durch Wasserentnahme quantifiziert werden mit einem Wert von a = 2.3. Dies erfolgte mithilfe der Labormethode (MCHPT) und dem Vergleich mit dem empirischen Wert von a = 10. Hierfür wurde ein konzeptionelles hydrogeologisches Modell der lokalen Gegebenheiten im Umfeld eines Trinkwasserentnahmebrunnens erstellt und in ein numerisches dichteabhängiges Grundwasserströmungs- und -transportmodell implementiert. Eine tatsächliche Existenz hydraulisch wirksamer Fenster im Rupelton konnte durch die Modellstudie jedoch nicht nachgewiesen werden. Deshalb werden zwei Hypothesen über geologische Bedingungen in einem Binnengrundwasserleiter getestet, nach denen es aufgrund einer Wasserförderung aus Brunnen zum Aufstieg hochmineralsierten Grundwassers kommen kann: 1) es existieren hydraulisch wirksame Fenster im Grundwassergeringleiter, und 2) es gibt zwar keine hydraulischen Fenster, jedoch tritt der Grundwassergeringleiter in sehr geringer Mächtigkeit auf.. Es bestünde hierbei theoretisch die Möglichkeit einer Diffusion des Salzwassers durch die Tonschicht und einer Salzakkumulation an der Basis des oberen Grundwasserstockwerkes. Diese beiden Hypothesen wurden daraufhin überprüft, wie stark der Einfluss der lateralen Entfernung zwischen den hydraulisch wirksamen Fenstern im Ton und dem Entnahmebrunnen ist und ob eine Diffusion von Salzwasser durch den Ton möglich ist. Hierfür wurden unterschiedliche Mächtigkeiten (0,01 m bis 100 m) des Tones betrachtet. Hypothese 1 wurde durch vier Szenarien bestätigt. Hydraulische Fenster im Rupelton können an dieser Lokation unter bestimmten Bedingungen Salzwasserintrusionen verursachen. Dagegen kann die zweite Hypothese verworfen werden, da eine mögliche Salzdiffusion durch den Ton bei einer Mächtigkeit über 1 m keine Kontamination im überlagernden Grundwasserleiter verursachen kann. Auf Basis der nachgewiesenen Ursachen für einen Aufstieg des tiefen salzhaltigen Grundwassers wurden zwei Empfehlungen zur Optimierung des Pumpregimes entwickelt. Hierdurch kann eine Salzwasserintrusion in einen Binnengrundwasserleiter besser kontrolliert werden. In Bezug auf die Reduktion der Pumprate für die Bedingungen im Rahmen der Modellstudie wurde ein Wert von 1,39×10-2 m3/s (50 m3/h) für gute Trinkwasserqualität (TDS-Konzentration < 0,6 kg/m3) und eine Förderrate von 5,56×10-3 m3/s (20 m3/h) für exzellente Trinkwasserqualität (TDS-Konzentration < 0,3 kg/m3) ermittelt. Darüber hinaus kann auch durch eine Filterstrecke, die im oberen Grundwasserleiter den hydraulischen Anschluss von Oberflächenwasser durch Uferfiltration ermöglicht, eine Salzwasserintrusion abgeschwächt werden.