Estimation of seawater–groundwater exchange rate: case study in a tidal flat with a large-scale seepage face (Laizhou Bay, China)

Abstract

The exchange rate between seawater and groundwater in a tidal flat was investigated at Laizhou Bay, China, where there are large-scale seepage faces with horizontal extension of several hundred meters developed during low tides. Taking into account the effects of seepage face and density, a simple and efficient method for estimating seawater–groundwater exchange rate is proposed, based on field measurements of groundwater hydraulic head, temperature and salinity. First, the exchange rate at each well was obtained using the generalized Darcy’s law, then the results were interpolated and integrated along the whole transect. The total submarine groundwater discharge (SGD) and inflow were estimated to be 8.8 and 15.3 m³ d⁻¹ m⁻¹, respectively. The spatial distributions of SGD and inflow were different from those of sandy or gravel beaches possibly owing to the low-permeability sediment (silty sand with mud), very gentle slope, and the large-scale seepage faces. A freshwater discharge tube was identified near the low-tide line, as evidenced by significant increase in outflow and low salinity of groundwater observed there. The SGD from the seepage faces accounted for ∼21 % of the total SGD. The outflow rate that occurred from the seepage faces, and the ratio of the outflow from the seepage faces to the total outflow, decreased seaward significantly and monotonically.

Résumé

La vitesse d’échange entre eau de mer et eaux souterraines a été étudiée dans la Baie de Laizou, Chine, où à marée basse des surfaces d’échange d’une extension horizontale de plusieurs centaines de mètres se développent. Considérant les effets des surfaces d’échange et leur densité, une méthode simple et efficace d’estimation de la vitesse de transfert entre eau de mer et eaux souterraines est proposée, basée sur des mesures de terrain: charges hydrauliques des eaux souterraines, température et salinité. La vitesse de transfert a été obtenue en utilisant la généralisation de la loi de Darcy dans chaque puits, puis les résultats sont interpolés et intégrés le long d’une coupe dans sa globalité. La décharge sous-marine d’eaux souterraines (DSES) et le flux entrant ont été estimés à 8.8 et 15.3 m³ j⁻¹ m⁻¹, respectivement. La distribution spatiale des DSES et des flux entrants diffère selon la nature des plages, sableuses ou graveleuses, probablement en raison de la faible conductivité hydraulique des sédiments (sable silteux argileux), de la pente très douce et de la dimension des surfaces d’échange. Un chenal de décharge d’eau douce a été identifié près de la ligne des marées basses, caractérisé par l’augmentation du flux sortant et par la faible salinité des eaux souterraines. La DSES des surfaces d’échange compte pour ∼21 % de la DSES totale. Le débit du flux sortant qui prend place au niveau des surfaces d’échange, et le rapport entre le débit sortant des surfaces d’échange et le débit total de la décharge, décroît en direction de la mer de manière significative et monotone.

Resumen

Se investigó la tasa de intercambio entre el agua de mar y agua subterránea en una planicie mareal de Laizhou Bay, China, donde existen fases de filtración en gran escala con una extensión horizontal de varios cientos de metros desarrollados durante las bajamares. Teniendo en cuenta el efecto de la fase de filtración y la densidad, se propuso un método simple y eficiente para la estimar la tasa de intercambio entre agua de mar y agua subterránea, basado en mediciones de campo de carga hidráulica, temperatura y salinidad del agua subterránea. En primer lugar, la tasa de intercambio en cada pozo se obtuvo usando la ley de Darcy generalizada, luego los resultados fueron interpolados e integrados a lo largo de la transecta completa. La descarga submarina total de agua subterránea y el flujo entrante fue estimado en 8.8 y 15.3 m³ d⁻¹ m⁻¹, respectivamente. La distribución espacial de SGD y el flujo entrante fueron diferentes en playas arenosas de aquellos relativos a gravosas posiblemente debido a la baja permeabilidad de los sedimentos (arenas limosas con fango), muy baja pendiente, y fases de filtración en gran escala. Una descarga de agua dulce fue identificada cerca de la línea de bajamar, como lo evidenció un aumento significativo del flujo saliente y la baja salinidad allí observada. El SGD a partir de las fases de infiltración explicaron alrededor del ∼21 % de la SGD total. La tasa del flujo saliente se evidencia a partir de las fases de filtración, y la relación del flujo saliente de las fases de filtración al flujo total, decrecieron significativa y monótonamente hacia el mar.

摘要

调查了中国莱州湾一个潮汐滩地海水和地下水之间的交换率, 这里有大规模的渗透面, 在低潮期间水平延伸达几百米。考虑到渗透面和密度的影响, 根据地下水水头、温度和盐度的野外测量结果, 提出了一种简单和有效的估测海水-地下水交换率的方法。首先, 采用广义的达西定律获取了每个井的交换率, 然后沿整个横断面对结果进行内推和整合。估测总的海底地下水排泄量 (SGD) 和流入量分别为8.8 和 15.3 m³ d⁻¹ m⁻¹。可能由于沉积物透水性低、坡度平缓及大规模的渗透面, 总的海底地下水排泄量和流入量的空间分布与砂质海滩或砂砾海滩的不同。在低潮线附近确定有淡水排泄管道, 因为在那里观测到流出量显著增加, 并且地下水的盐度很低。渗透面流出来的海底地下水排泄量占总海底地下水排泄量的∼21%。渗透面的流出量及渗透面流出量和总流出量的比值向海方向单调、显著地降低。

Resumo

Foram investigadas as taxas de permuta entre água marinha e água superficial numa planície de maré da Baía de Laizhou, na China, onde existem interfaces de percolação de larga escala com extensões horizontais de várias centenas de metros a desenvolverem-se durante as marés baixas. Considerando os efeitos da interface de percolação e da densidade, é proposto um método simples e eficiente de estimação das taxas de permuta água marinha-água subterrânea, baseado em medições de campo dos níveis piezométricos, da temperatura e da salinidade. Primeiro, foi obtida a taxa de permuta em cada poço, com base na lei de Darcy; depois, os resultados foram interpolados e integrados ao longo de todo o transecto. A descarga de água subterrânea submarina total (SGD) e o influxo foram estimados em 8.8 e 15.3 m³ d⁻¹ m⁻¹, respetivamente. A distribuição espacial da SGD e o influxo são diferentes dos das praias arenosas ou de seixo, possivelmente devido à baixa permeabilidade dos sedimentos (areia siltosa com lodo), ao declive muito pouco acentuado, e à larga escala das interfaces de percolação. Um canal de descarga de água doce foi identificado próximo da linha de maré baixa, evidenciado por um significativo incremento na descarga e pela baixa salinidade da água subterrânea observada nesse local. A SGD das interfaces de percolação corresponde a ∼21% do total da SGD. As taxas de descarga que ocorrem nas interfaces de percolação e as taxas de descarga das interfaces de percolação em função da descarga total decrescem em direção ao mar de forma significativa e monótona.