Using the tidal method to develop a conceptual model and for hydraulic characterization at the Argentona research site, NE Spain

Abstract

Tidal response analysis in coastal aquifers represents a complex but unique low-cost aquifer-scale test to determine hydraulic diffusivity (${D}_{\mathrm{h}}$) and connectivity to the sea. Here, a simplified numerical methodology is applied to a well-characterized Mediterranean coastal aquifer—the Argentona experimental research site, NE Spain. First, a harmonic analysis was performed over a 2-month period to identify the main tidal constituents. Then, the amplitude attenuation and phase shift for 16 observation wells, located at different distances from the coastline, were evaluated. It was found that direct application of the tidal method, considering only the hydraulic effect and aquifer homogeneity, leads to ${D}_{\mathrm{h}} \mathrm{values}$ estimated from the amplitude attenuation one order of magnitude smaller than those derived from the phase shift. To better understand the aquifer’s response to tidal fluctuations, numerical simulations were performed, considering two different effects: (1) the hydraulic connection between the aquifer layers and the sea, and (2) the mechanical effect generated by the compression of the undersea aquifer portion. The simulations revealed that a specific stratified configuration and the inclusion of mechanical effects are required to accurately reproduce the observed wells’ head responses. A scale effect was observed when calibrating the main constituents separately. Thus, calibrating the short-period components resulted in higher ${D}_{\mathrm{h}}$ estimates. These numerical results demonstrate that mechanical effects can play a strong role in aquifer response to tides. This study provides the first application of the tidal method to a real aquifer considering both the hydraulic and mechanical effects generated by tides.

Résumé

L’analyse de la réponse aux marées dans des aquifères côtiers représente un test bon marché, complexe mais unique, à l’échelle d’un aquifère pour déterminer la diffusivité hydraulique (D_h) et la connectivité avec la mer. Ici, une méthodologie numérique simplifiée est appliquée à un aquifère côtier méditerranéen bien caractérisé—le site de recherche expérimentale d’Argentona, dans le Nord Est de l’Espagne. D’abord, une analyse harmonique a été réalisée sur une période de deux mois pour identifier les principales composantes de la marée. Ensuite, l’atténuation de l’amplitude et le déphasage ont été évalués sur 16 piézomètres situés à différentes distances du trait de côte. Il a été constaté que l’application directe de la méthode des marées, en ne tenant compte que de l’effet hydraulique et de l’homogénéité de l’aquifère, conduit à des valeurs de D_h estimées à partir de l’atténuation d’amplitude inférieures d’un ordre de grandeur à celles dérivées du déphasage. Pour une meilleure compréhension de la réponse de l’aquifère aux fluctuations de la marée, des simulations numériques ont été réalisées, en considérant deux effets distincts: (1) la connexion hydraulique entre les couches aquifères et la mer, et (2) l’effet mécanique engendré par la compression de la partie d’aquifère située sous la mer. Les simulations ont révélé qu’une configuration stratifiée spécifique et l’intégration des effets mécaniques sont nécessaires pour reproduire fidèlement les réponses de la charge observées dans les puits. Un effet d’échelle a été observé quand on calibre séparément les principaux constituants. Ainsi, la calibration des composants sur une période courte se traduit par des estimations plus fortes de ${D}_{\mathrm{h}}.$ Ces résultats numériques démontrent que les effets mécaniques peuvent jouer un rôle important dans la réponse de l’aquifère aux marées. Cette étude fournit la première application de la méthode des marées pour une prise en compte réelle des effets à la fois hydrauliques et mécaniques générés par les marées.

Resumen

El análisis de la respuesta a mareas en acuíferos costeros es complejo, pero representa un prueba económica y única a escala de acuífero para determinar la difusividad hidráulica (D_h) y la conectividad con el mar. Aquí se aplica una metodología numérica simplificada a un acuífero costero mediterráneo bien caracterizado (Argentona, en el NE de España). Se realizó primero un análisis de armónicos de la marea durante dos meses para identificar sus componentes. A continuación, se evaluaron la atenuación y cambio de fase en 16 pozos de observación, situados a varias distancias de la línea de costa. Se comprobó que, empleando el método tradicional (solo efecto hidráulico y acuífero homogéneo), los valores de D_h estimados a partir de la atenuación son un orden de magnitud menores que los deducidos del cambio de fase. Para entender mejor la respuesta del acuífero a las mareas, se realizaron simulaciones numéricas considerando (1) la conexión hidráulica entre el acuífero y el mar y (2) el efecto mecánico generado por la compresión de la porción submarina del acuífero. Las simulaciones revelaron que, para reproducir con precisión las respuestas de nivel observadas, se requiere una configuración estratificada específica y la inclusión de efectos mecánicos. Se observó un efecto de escala al calibrar las componentes principales por separado: al aumentar el periodo de las componentes disminuyó el valor calculado de D_h. Este estudio, que puede considerarse el primero en integrar los efectos hidráulicos y mecánicos, demuestra que es necesario incluir los estos últimos para interpretar la respuesta de los acuíferos a las mareas.

摘要

沿海含水层的潮汐响应分析是一种复杂而且独特的低成本的含水层尺度的确定水力传导系数 (${D}_{\mathrm{h}}$)和与海水联系的试验。本文将简化的数值方法应用于有较好概化的地中海沿海含水层——西班牙东北部的Argentona试验场地。首先, 在两个月的时间内进行谐波分析, 以确定主要潮汐成分。然后, 评估16个观测井的振幅衰减和相位移动, 这些井位于距海岸线不同的距离。发现仅考虑水力效应和含水层均质性的潮汐法的直接应用, 会导致从振幅衰减估计的 ${D}_{\mathrm{h}}$ 值比从相位移动估计的 ${D}_{\mathrm{h}}$ 值小一个数量级。为了更好地理解含水层对潮汐波动的响应, 进行了数值模拟, 考虑了两种不同的影响: (1) 含水层与海水之间有水力联系, 以及 (2) 由于压缩海底含水层而产生的力学效应。模拟表明, 需要特定的层序和包含力学效应, 才能准确地重现观测井的压力响应。当分别校准主要成分时观察到了尺度效应。因此, 校准短周期成分导致更高的 ${D}_{\mathrm{h}}$ 估计值。这些数值结果证明了力学效应在含水层对潮汐波动的响应中可能发挥重要作用。本研究提供了将潮汐法应用于真实含水层并考虑潮汐产生的水力和力学效应的首个应用。

Resumo

A análise da resposta das marés em aquíferos costeiros representa um teste de escala de aquífero complexo, mas único e de baixo custo, para determinar a difusividade hidráulica (${D}_{\mathrm{h}}$) e a conectividade com o mar. Aqui, uma metodologia numérica simplificada é aplicada a um aquífero costeiro mediterrâneo bem caracterizado—o local de pesquisa experimental de Argentona, NE da Espanha. Primeiro, uma análise harmônica foi realizada durante um período de dois meses para identificar os principais constituintes das marés. Em seguida, foram avaliadas a atenuação de amplitude e mudança de fase para 16 poços de observação, localizados a diferentes distâncias da linha de costa. Verificou-se que a aplicação direta do método das marés, considerando apenas o efeito hidráulico e a homogeneidade do aquífero, leva a valores de ${D}_{\mathrm{h}}$ estimados a partir da atenuação da amplitude uma ordem de grandeza menor do que os derivados do deslocamento de fase. Para entender melhor a resposta do aquífero às flutuações das marés, foram realizadas simulações numéricas, considerando dois efeitos diferentes: (1) a conexão hidráulica entre as camadas do aquífero e o mar, e (2) o efeito mecânico gerado pela compressão da porção do aquífero submarino. As simulações revelaram que uma configuração estratificada específica e a inclusão de efeitos mecânicos são necessárias para reproduzir com precisão as respostas da cargas dos poços observados. Um efeito de escala foi observado ao calibrar os constituintes principais separadamente. Assim, calibrar os componentes de curto período resultou em estimativas de ${D}_{\mathrm{h}}$ mais altas. Esses resultados numéricos demonstram que os efeitos mecânicos podem desempenhar um papel importante na resposta do aquífero às marés. Este estudo fornece a primeira aplicação do método das marés a um aquífero real considerando os efeitos hidráulicos e mecânicos gerados pelas marés.

Appendix: Tidal harmonics amplitude and time-shift, filtering error and calibrated amplitude

In Table 2, the amplitude (A) and the time-shift (φ) are presented for each of the tidal harmonics measured at the sea. In Table 3, ${\mathrm{A}}_{0}/A$ and $\omega {t}_{\mathrm{s}}$ are presented for the observation points. The values presented in Table 2 correspond to the values obtained applying Eqs. (1), (2) and (3).

In Table 3, values are obtained from the calibration process by numerical modeling. $A/{A}_{0}$ and $\omega {t}_{\mathrm{s}}$ are not present for the “full” and the “harmonic sum” such that the $A$ and ${t}_{\mathrm{s}}$ identification is not feasible.

See Tables 2, 3 and 4

Table 2 Measured sea identified harmonics for given periods (hours, h): amplitude (A) and time-shift (φ)

Table 3 Observation points’ identified harmonics at distances (m) from the coast, for given periods (hours, h): amplitude (A) and time-shift (φ)

Table 4 Calibrated by numerical model at distances (m) from the coast, for given periods (hours, h): amplitude attenuation (A/A₀) and time-shift ($\omega {t}_{s}$)