EQUIVALENT FRESHWATER MODELS FOR COASTAL AQUIFERS

Abstract

The aim of this study was to investigate the impact of saltwater intrusion on the transient hydraulic behavior of coastal aquifers and to develop an Equivalent Freshwater Modeling (EFM) approach. The EFM approach proposed here focuses on the use of an Equivalent Freshwater Hydraulic Conductivity. A two dimensional finite difference saltwater/freshwater model was developed using SEAWAT. An equivalent two dimensional freshwater-only model was also developed using MODFLOW. Both saltwater/freshwater and freshwater-only models were run under different recharge and pumping conditions. A comparison between the two models’ behaviour was held to identify possible relationships between the hydraulic conductivity (Ks) of the saltwater/freshwater model and the hydraulic conductivity (Kf) of the freshwater-only model. For each value of Ks a calibration exercise was performed to choose the equivalent Kf value that gives the minimum Root Mean Square Error between the two models. Plots of the relationship between Ks and the optimal Kf values were generated for a range of Ks values and for a range of pumping conditions represented by the ratio of pumping rate over the freshwater lens thickness, (Q/Bf). The optimal Kf values were then tested with three dimensional models. From the different simulation scenarios we found that the presence of saltwater intrusion does not significantly affect the behavior of fine sand aquifers (Ks < 5 m/d), under the full range of pumping and freshwater lens thicknesses considered in this study. In medium sand aquifers (10 < Ks < 25 m/day), the presence of the intrusion requires an Equivalent Freshwater Hydraulic Conductivity (Kf) that is 20 to 30% higher than the original value, but the required Kf is fairly independent of the pumping over the freshwater lens thickness ratio (Q/Bf) In coarse sand aquifers (Ks > 45 m/day), the saltwater presence does have a significant effect on the aquifer behavior and the ratio of Kf over Ks is significantly affected by the freshwater lens thickness and the pumping rate. The 3-D model verifications, that were performed with Fine Sand and Medium Sand Hydraulic Conductivities only, confirmed the Kf /Ks relationships that were developed with the 2-D models. The performance of the EFM approach was found to depend on the aquifer hydraulic conductivity, the freshwater lens thickness and the intensity of the pumping applied to the models.

Le but de cette étude était d’investiguer l’impact des intrusions salines sur le comportement hydraulique transitoire des aquifères côtiers et de développer une approche de Modélisation Équivalente d’Eaux Douces (MEED). L’approche MEED proposée ici, est axée sur l’utilisation d’une Conductivité Hydraulique d’Eau Douce Équivalente. Un modèle bidimensionnel eaux salines / eaux fraiches en différence finies a été développé à l’aide de SEAWAT. Un modèle bidimensionnel eaux fraiches équivalent a aussi été développé avec MODFLOW. Les deux modèles ont été exécutés sous différentes conditions de recharge et de pompage. Une comparaison entre les deux modèles a été effectuée pour identifier les relations possibles entre la conductivité hydraulique (Ks) du modèle eaux salines / eaux douces et la conductivité hydraulique (Kf) du modèle eaux douces. Pour chaque valeur de Ks un exercice de calibration a été réalisé pour trouver le Kf équivalent qui minimise l’erreur-type entre les deux modèles. Des courbes de la relation entre Ks et les valeurs optimales de Kf ont été générées pour une gamme de valeurs de Ks et de conditions de pompages représentées par le rapport du taux de pompage sur l’épaisseur de la lentille d’eau fraiche (Q/Bf). Les valeurs optimales de Kf ont été par la suite mises à l’essai avec des modèles tridimensionnels. Des différents scénarios de simulation, on a noté que la présence d’une intrusion saline n’affecte pas de façon significative le comportement des aquifères de sable fin (Ks <5 m/d), pour la pleine gamme des taux de pompage et d’épaisseurs de lentille d’eau fraiche considérées dans cette étude. Dans les aquifères de sable moyen (10 < K_(s ) < 25 m/d), la présence d’une intrusion requière une conductivité hydraulique équivalente d’eau fraiche.