Considering the potential effect of faulting on regional-scale groundwater flow: an illustrative example from Australia’s Great Artesian Basin

Abstract

Hydraulic head measurements in the Great Artesian Basin (GAB), Australia, began in the early 20th century, and despite subsequent decades of data collection, a well-accepted smoothed potentiometric surface has continually assumed a contiguous aquifer system. Numerical modeling was used to produce alternative potentiometric surfaces for the Cadna-owie–Hooray aquifers with and without the effect of major faults. Where a fault created a vertical offset between the aquifers and was juxtaposed with an aquitard, it was assumed to act as a lateral barrier to flow. Results demonstrate notable differences in the central portion of the study area between potentiometric surfaces including faults and those without faults. Explicitly considering faults results in a 25–50 m difference where faults are perpendicular to the regional flow path, compared to disregarding faults. These potential barriers create semi-isolated compartments where lateral groundwater flow may be diminished or absent. Groundwater management in the GAB relies on maintaining certain hydraulic head conditions and, hence, a potentiometric surface. The presence of faulting has two implications for management: (1) a change in the inferred hydraulic heads (and associated fluxes) at the boundaries of regulatory jurisdictions; and (2) assessment of large-scale extractions occurring at different locations within the GAB.

Résumé

Les mesures piézométriques dans le Grand Bassin Artésien (GBA) en Australie, ont commencé au début du 20ème siècle, et en dépit des décennies suivantes de collecte de données, une surface piézométrique lisse largement admise a continuellement alimenté l’hypothèse d’un système aquifère continu. Un modèle numérique a été utilisé pour produire des surfaces piézométriques alternatives pour les aquifères de Cadna-owie-Hooray avec et sans l'effet des failles principales. Là où une faille a créé un décalage vertical entre les aquifères et a juxtaposé un aquitard, l’hypothèse d’une barrière latérale aux écoulements a été posée. Les résultats montrent des différences notables dans la partie centrale du secteur d'étude entre les surfaces piézométriques comprenant des failles et celles sans failles. Considérer explicitement les failles conduit à un écart de 25–50 m là où les failles sont perpendiculaires à la direction régionale d’écoulement, par rapport à une approche négligeant les failles. Ces barrières potentielles créent des compartiments partiellement isolés où l'écoulement latéral des eaux souterraines peut être réduit ou absent. La gestion des eaux souterraines dans le GBA se fonde sur le maintien de certaines conditions de charge hydraulique et, par conséquent, d’une surface piézométrique. La présence des failles a deux implications pour la gestion: (1) un changement des charges hydrauliques supposées (et des flux associés) aux frontières des juridictions administratives; et (2) une évaluation des prélèvements d’eau à grande échelle se produisant à différents endroits du GBA.

Resumen

Las mediciones de cargas hidráulicas en la Gran Cuenca Artesiana (GAB), Australia, comenzaron a principios del siglo 20, y a pesar de las subsecuentes décadas de recolección de datos, una bien aceptada superficie potenciométrica suave se supuso continuamente en el sistema acuífero contiguo. Se usó una modelación numérica para producir superficies potenciométricas alternativas para los acuíferos Cadna-owie–Hooray con y sin los efectos de fallas mayores. Donde una falla creaba un desplazamiento vertical entre los acuíferos y se yuxtaponía con un acuitardo, se supuso que eso actuaba como una barrera lateral al flujo. Los resultados demostraron diferencias notables en la porción central del área de estudio entre las superficies potenciométricas que incluyen fallas y aquellas sin fallas. Los resultados considerando explícitamente las fallas muestran una diferencia de 25–50 m cuando las fallas son perpendiculares a la trayectoria de flujo regional, si se comparan sin tener en cuenta las fallas. Estas barreras potenciales crean compartimentos semiaislados donde el flujo subterráneo lateral puede estar disminuido o ausente. El manejo del agua subterránea en el GAB se basa en el mantenimiento de ciertas condiciones de carga hidráulica y, por lo tanto, una superficie potenciométrica. La presencia de fallamiento tiene dos implicancias para el manejo: (1) un cambio en las cargas hidráulicas inferidas (y flujos asociados) en los límites de las jurisdicciones regulatorias; y (2) la evaluación de extracciones en gran escala que ocurren en los diferentes sitios dentro del GAB.

摘要

澳大利亚大自流盆地的水头测量工作始于20世纪早期,尽管经过随后几十年的资料收集,但被广泛接受的平滑压力水面仍旧显示其盆地为一个连续的的含水层系统。采用数值模拟展现了有主要断层影响情况下和无断层影响情况下的Cadna-owie–Hooray含水层供选择的压力水面。当断层在含水层之间产生垂直断错并和隔水层并置时,断层就可充当水流的侧向屏障。结果显示,包括断层的及没有断层的压力水面之间的研究区中部有显著差别。要明确考虑到,在断层垂直于区域水流通道的地方,与那些不起眼的断层相比,这些断层有25–50米的位差。这些潜在的屏障产生半隔离的空间,在此侧向地下水流可能减弱或缺失。大自流盆地地下水管理依赖于保持一定的水头条件,即压力水面。断层作用的存在对管理来说具有两个含义:(1) 管理行政区边界处所推断的水头变化;(2)大自流盆地内不同位置大规模抽水的评价。

Resumo

A medição de cargas hidráulicas na Grande Bacia Artesiana (GBA), Austrália, começou no início do século 20 e, mesmo após décadas de coleta de dados, uma bem aceita superfície potenciométrica plana continua assumindo um sistema aquífero contíguo. Superfícies potenciométricas alternativas foram simuladas com modelos numéricos para o aquífero Cadna-owie-Hooray, com e sem o efeito das principais falhas. Em áreas onde falhas apresentam deslocamento vertical e que colocaram lado a lado aquífero e aquitardo, assumiu-se que a falha se comporta como uma barreira lateral ao fluxo. Resultados demonstram uma notável diferença entre as superfícies potencimétricas para condições com e sem falhas na região central da área de estudo. Diferenças de 25–50 m são estimadas em áreas com falhas perpendiculares ao sentido de fluxo regional em comparação com a simulação sem falhas. Estas potenciais barreiras criam compartimentos semi-isolados no aquífero onde o fluxo lateral das águas subterrâneas deve ser menor ou ausente. A gestão das águas subterrâneas da GBA baseia-se na manutenção de uma certa condição das cargas hidráulicas, e, desta forma, de uma superfície potenciométrica. A presença de falhas tem duas implicações para a gestão: (1) uma mudança na carga hidráulica inferida (e fluxos associados) nas fronteiras de juridições regulatórias; e (2) avaliação das extrações de grande escala que ocorrem em diferentes localidades na GBA.