Direct simulation of groundwater transit-time distributions using the reservoir theory

Abstract

Groundwater transit times are of interest for the management of water resources, assessment of pollution from non-point sources, and quantitative dating of groundwaters by the use of environmental isotopes. The age of water is the time water has spent in an aquifer since it has entered the system, whereas the transit time is the age of water as it exits the system. Water at the outlet of an aquifer is a mixture of water elements with different transit times, as a consequence of the different flow-line lengths. In this paper, transit-time distributions are calculated by coupling two existing methods, the reservoir theory and a recent age-simulation method. Based on the derivation of the cumulative age distribution over the whole domain, the approach accounts for the whole hydrogeological framework. The method is tested using an analytical example and its applicability illustrated for a regional layered aquifer. Results show the asymmetry and multimodality of the transit-time distribution even in advection-only conditions, due to the aquifer geometry and to the velocity-field heterogeneity.

Résumé

Les temps de transit des eaux souterraines sont intéressants à connaître pour gérer l'évaluation des ressources en eau dans le cas de pollution à partir de sources non ponctuelles, et aussi pour dater quantitativement les eaux souterraines au moyen des isotopes du milieu. L'âge de l'eau est le temps qu'elle a passé dans un aquifère depuis qu'elle est entrée dans le système, alors que le temps de transit est l'âge de l'eau au moment où elle quitte le système. L'eau à la sortie d'un aquifère est un mélange d'eaux possédant différents temps de transit, du fait des longueurs différentes des lignes de courant suivies. Dans ce papier, les distributions des temps de transit sont calculées en couplant deux méthodes, la théorie du réservoir et une méthode récente de simulation des âges. Basée sur la dérivation de la distribution cumulées des âges sur tout le domaine, l'approche prend en compte le cadre hydrogéologique dans son ensemble. La méthode est testée sur un exemple analytique et son applicabilité est illustrée pour un aquifère stratifié régional. Les résultats montrent l'asymétrie et la plurimodalité de la distribution des temps de transit même dans des conditions uniquement d'advection, à cause de la géométrie de l'aquifère et de l'hétérogénéité du champ des vitesses.

Resumen

El estudio de los tiempos de tránsito del agua subterránea es muy útil para (1) la gestión de los recursos de agua frente a la contaminación por focos no puntuales, y (2) la datación de aguas mediante isótopos ambientales. La edad de un agua subterránea es el tiempo que ésta ha permanecido en el acuífero contada desde el momento de su entrada, mientras que el tiempo de tránsito corresponde a la edad del agua en el momento en que abandona el sistema. En el punto de descarga en realidad se encuentra una mezcla de aguas con distintos tiempos de tránsito, debido a la yuxtaposición de líneas de flujo con diferentes recorridos. En este artículo se calculan las distribuciones de tiempos de tránsito mediante el acoplamiento de dos métodos ya existentes: la teoría de embalse y un método reciente de simulación de edades. El método se basa en la derivación de la distribución acumulada de edades, y es aplicable en todo el dominio hidrogeológico. El método se ha probado en un ejemplo analítico, y su aplicabilidad se muestra para un acuífero estratificado. Como resultado se obtiene que, aun en el caso de flujo exclusivamente advectivo, la distribución de tiempos de tránsito es asimétrica y multimodal debido a la geometría del acuífero y a la heterogeneidad del campo de velocidades.