Inverse modeling of groundwater flow in the semiarid evaporitic closed basin of Los Monegros, Spain

Abstract

 Only minor attention has been given in the past to the study of closed-basin hydrogeology in evaporitic environments, because these basins usually contain poor-quality groundwater. The motivation for hydrogeological research in the Los Monegros area in northeastern Spain was the approval in 1986 of a large irrigation project in the Ebre River basin. The irrigation of 60,000 ha is planned, partly in an evaporitic closed basin containing playa lakes. The project has given rise to environmental concerns. The evaluation of the hydrologic impacts of irrigation requires quantifying properly the hydrogeology of the area. With the available information, a conceptual hydrogeological model was formulated that identifies two main aquifers connected through a leaky aquitard. On the basis of the conceptual model, a numerical model was calibrated under steady-state conditions using the method of maximum-likelihood automatic parameter estimation (Carrera and Neuman, 1986a). The calibrated model reproduces the measured hydraulic heads fairly well and is consistent with independent information on groundwater discharge. By the solution of the inverse problem, reliable parameter estimates were obtained. It is concluded that anisotropy plays a major role in some parts of the lower aquifer. The geometric average of model conductivity is almost two orders of magnitude larger than the average conductivity derived from small-scale field tests. This scale effect in hydraulic conductivity is consistent with the findings of Neuman (1994) and Sánchez-Vila et al. (1996).

Résumé

Dans le passé, on s'est peu intéresséà l'hydrogéologie des bassins fermés en milieu évaporitique, parce que ces bassins possèdent en général de l'eau souterraine de qualité médiocre. L'intérêt porté aux recherches hydrogéologiques dans la région de Los Monegros, dans le nord-est de l'Espagne est dûà l'approbation en 1986 d'un vaste projet d'irrigation dans le bassin de l'Ebre. L'irrigation de 60 000 ha a été programmée, en partie dans un bassin évaporitique fermé où existent des lacs de playa. Le projet a fait émergé des préoccupations environnementales. L'évaluation des impacts hydrologiques de l'irrigation implique de quantifier correctement l'hydrogéologie de cette région. A partir des informations disponibles, un modèle hydrogéologique conceptuel a étéétabli; il identifie deux aquifères principaux interconnectés par drainance au travers d'un imperméable. Un modèle numérique, établi sur la base de ce modèle conceptuel, a été calibré en conditions de régime permanent, en utilisant la méthode d'estimation automatique du maximum de vraisemblance des paramètres (Carrera and Neuman, 1986a). Le modèle calibré reproduit correctement la piézométrie mesurée et est en accord avec les informations concernant l'écoulement des nappes. La résolution du problème inverse a fourni des estimations acceptables des paramètres. On en a conclu que l'anisotropie joue un rôle essentiel dans certaines parties de l'aquifère inférieur. La moyenne géométrique de la conductivité hydraulique est d'environ deux ordres de grandeur plus élevée que la conductivité hydraulique moyenne obtenue par des essais de terrain à l'échelle locale. Cet effet d'échelle sur la conductivité hydraulique est conforme aux résultats obtenus par Neuman (1994) et Sánchez-Vila et al. (1996).

Resumen

La hidrogeología de zonas endorreicas en zonas evaporíticas ha recibido muy poca atención en el pasado debido fundamentalmente a que en estas zonas las aguas subterráneas tienen una elevada salinidad debido a la alta solubilidad de sus materiales. El interés por la hidrogeología de la zona de Los Monegros en el noreste de España surgió a raiz de la aprobación en 1986 del proyecto de Los Monegros II en la zona central del valle del Ebro que contempla la puesta en regadío de 60,000 ha, algunas de las cuales se encuentran situadas en la zona endorreica de Los Monegros en la que existen toda una serie de lagunas salinas. La implantación del regadío en esta zona puede alterar el régimen hidrológico de las lagunas, provocar problemas de salinización de suelos y aguas y aumentar la salinidad del río Ebro. Con el fin de evaluar estos efectos se construyó un modelo numérico del flujo subterráneo. Con la información disponible se pueden distinguir dos acuíferos que están conectados mediante un acuitardo. El modelo de flujo se calibró en régimen estacionario utilizando el procedimiento de calibración automática de Carrera y Neuman (1986a) basado en el método de la máxima verosimilitud. El modelo finalmente calibrado es capaz de reproducir los niveles piezométricos medidos y es coherente con los resultados de los balances hidrológicos en las lagunas. La conductividad hidráulica media del modelo es superior en casi dos órdenes de magnitud a la media de las conductividades hidráulicas obtenidas en ensayos de campo a escala local. Este efecto de escala en la conductividad hidráulica es coherente con los resultados de Neuman (1994) y Sánchez-Vila et al. (1996) y confirma que dicho efecto también se observa en medios evaporíticos.