Seawater intrusion, transition zone dynamics and reactive mixing : example of Argentona coastal alluvial aquifer

Abstract

Freshwater quality and availability in coastal areas are affected by seawater intrusion into coastal aquifers. While coastal water quality and coastal ecosystems can be significantly affected by pollutants discharged into the sea. In this thesis we investigate: (i) the use of sea level periodic fluctuations (e.g. tides) to characterize coastal aquifers hydrodynamic parameters; (ii) the chemical reactions that occur in the mixing zone between freshwater and seawater; and (iii) the impact of high-frequency fluctuations (e.g. storms) on the mixing zone and chemical reactions. Thus, the Argentona experimental site allowed us to apply and validate the investigated methods. The results show that thanks to the tidal method we have been able to clarify the technique and make its application easier. In addition, we make one of the first applications to a real aquifer where we detail the entire process from the acquisition and filtering of head data to finally obtain the hydrodynamic parameters by numerical modeling. This allowed refining the conceptual model and observing the pronounced impact of aquitard on the propagation of inland tidal fluctuations. In addition, we have investigated the chemical reactions that occur by the mixing between freshwater and saltwater. The results show that coastal aquifers are a fairly complex system with many chemical reactions. We observe the predominance of cationic exchange reactions, but also quite a few redox reactions using organic matter as electron donors and molecules such as dissolved oxygen, nitrates, iron, or manganese oxides as electron acceptors. We have observed that quite a few reactions associated with the rocks that form the reservoir also occur. But we go beyond identifying them, we present a method to quantify these reactions, which allows us to observe the spatial distribution of the reactions. Furthermore, by quantifying them, it is possible to estimate the chemical composition of the water that is discharged into the sea. As a result, nutrients discharge to the sea can be estimated through the quantification of their degradation. Finally, we investigated the impact of an intense rain event over a coastal aquifer and its mixing zone. We acknowledge a freshwater displacement occurs in the direction of the sea caused by the aquifer recharge. But we also observed how the interface is pushed inland during the recovery. These unique conditions can have a significant impact on the annual nutrients balance released to the sea. In fact, by moving the interface, the chemical conditions are modified and a significant impact on the chemical reactions is observed.

La calidad y la disponibilidad del agua dulce en las zonas costeras está afectada por la intrusión marina en los acuíferos costeros. Del mismo modo, la calidad de las aguas costeras y los ecosistemas costeros pueden ser afectados significativamente por la descarga de agua subterráneaal mar. En esta tesis investigamos: (i) el uso de las fluctuaciones periódicas del nivel del mar (como las mareas) para caracterizar los parámetros hidrodinámicos de los acuíferos costeros; (ii) las reacciones químicas que ocurren en la zona de mezcla entre el agua dulce y el agua salada; y (iii) el impacto de las fluctuaciones temporales de alta frecuencia (por ejemplo las tormentas) sobre la zona de mezcla y las reacciones químicas que ocurren en el acuifero. Los metodos estudiados han sido aplicados y validados en el campo experimental de Argentona. Consideramos el acoplamiento hidromecanico sobre la respuesta del acuifero a las fluctuaciones de las mareas. El método de las mareas se aplica por primera vez a un acuífero real donde detallamos todo el proceso desde la adquisición y el filtrado de datos a la obtención de los parámetros hidrodinámicos por modelación numérica. Esto permitió refinar el modelo conceptual y observar el impacto pronunciado de las capas poca permeables sobre la propagación de las fluctuaciones de mareas hacia tierra dentro. Además, hemos investigado sobre las reacciones químicas que ocurren a lo largo de la mezcla entre el agua dulce y el agua salada. El estudio se realiza utilizando el analisis de mezcla acaplado a una herramienta de mezcla reactiva. Los resultados muestran que los acuíferos costeros son unos sistemas bastante complejos con muchas reacciones químicas. Observamos una preponderancia de las reacciones de intercambio catiónico, pero también bastantes reacciones redox usando la materia orgánica como donador de electrones y las moléculas tipo el oxígeno disueltos, los nitratos, los óxidos de hierro o de manganeso como aceptor de electrones. Hemos observado que también ocurren bastantes reacciones asociadas a las rocas que forman el reservorio. Pero vamos más allá de identificarlas, presentamos un método para cuantificar esas reacciones lo que nos permite observar la distribución espacial de las reacciones. Además, al cuantificarlas se puede estimar la composición química del agua que se descarga al mar, y saber cuántos nutrientes se degradan por reacciones en el acuífero y cuantos llegaran al mar. Por último, investigamos el impacto de un evento de lluvia intensa sobre un acuífero costero y su zona de mezcla. Reconocemos que ocurre un desplazamiento de agua dulce en la dirección del mar causado por la recarga del acuífero. Pero también observamos cómo se empuja la interfaz tierra adentro durante la fase de recuperación. Estas condiciones únicas pueden tener un impacto significativo en el balance anual de nutrientes que se liberan al mar. De hecho, al mover la interfaz, se modifican las condiciones químicas y se observa un impacto significativo en las reacciones químicas.

La qualité de l’eau et sa disponibilité dans les zones côtières sont affectées par l’intrusion marine dans les aquifères côtiers. De même, la qualité des eaux côtières et les écosystèmes côtiers peuvent être considérablement affectés par les polluants rejetés dans la mer. Les travaux de cette thèse étudient : (i) l’utilisation des fluctuations périodiques du niveau de la mer (par exemple les marées) pour caractériser les paramètres hydrodynamiques des aquifères côtiers ; (ii) les réactions chimiques qui se produisent dans la zone de mélange entre l’eau douce et l’eau salée; et (iii) l’impact des fluctuations temporelles de hautes fréquences (par exemple les tempêtes) sur la zone de mélange et les réactions chimiques. Par conséquent, le site expérimental d’Argentona nous a permis d’appliquer et de valider les méthodes étudiées. De plus, nous faisons l’une des premières applications à un aquifère réel où nous détaillons l’ensemble du processus depuis l’acquisition et le filtrage des données jusqu’à l’obtention des paramètres hydrodynamiques par modélisation numérique. Cela a permis d’affiner le modèle conceptuel et d’observer l’impact prononcé des couches peu perméables sur la propagation du signal marées dans l’aquifère. De plus, nous avons étudié les réactions chimiques qui se produisent au cours du mélange entre l’eau douce et l’eau salée. Les résultats montrent que les aquifères côtiers sont des systèmes assez complexes avec de nombreuses réactions chimiques. On observe une prépondérance des réactions d’échange cationique, mais aussi pas mal de réactions redox utilisant la matière organique comme donneur d’électrons et des molécules comme l’oxygène dissous, les nitrates, les oxydes de fer ou de manganèse comme accepteurs d’électrons. Nous avons également observé que de nombreuses réactions associées aux roches qui forment le réservoir se produisent. Mais nous allons au-delà de leur identification, nous présentons une méthode pour quantifier ces réactions, qui nous permet d’observer la distribution spatiale des réactions. De plus, en les quantifiant, il est possible d’estimer la composition chimique de l’eau rejetée dans la mer, et de savoir quelle quantité de nutriments est dégradée par les réactions chimiques dans l’aquifère et donc quelle quantité atteindra la mer. Enfin, nous étudions l’impact d’un événement de fortes pluies sur un aquifère côtier et sa zone de mélange. Nous reconnaissons qu’un déplacement d’eau douce se produit en direction de la mer causée par la recharge de l’aquifère. Mais au cours de la décrue de la nappe, nous observons comment l’interface s’étend à l’intérieur des terres. Ces conditions uniques peuvent avoir un impact significatif sur le bilan annuel des nutriments rejetés dans la mer. En effet, en déplaçant l’interface, les conditions chimiques sont modifiées et un impact significatif sur les réactions chimiques est observé.