Estimation of the depth to the fresh-water/salt-water interface from vertical head gradients in wells in coastal and island aquifers

Abstract

 An accurate estimate of the depth to the theoretical interface between fresh, water and salt water is critical to estimates of well yields in coastal and island aquifers. The Ghyben–Herzberg relation, which is commonly used to estimate interface depth, can greatly underestimate or overestimate the fresh-water thickness, because it assumes no vertical head gradients and no vertical flow. Estimation of the interface depth needs to consider the vertical head gradients and aquifer anisotropy that may be present. This paper presents a method to calculate vertical head gradients using water-level measurements made during drilling of a partially penetrating well; the gradient is then used to estimate interface depth. Application of the method to a numerically simulated fresh-water/salt-water system shows that the method is most accurate when the gradient is measured in a deeply penetrating well. Even using a shallow well, the method more accurately estimates the interface position than does the Ghyben–Herzberg relation where substantial vertical head gradients exist. Application of the method to field data shows that drilling, collection methods of water-level data, and aquifer inhomogeneities can cause difficulties, but the effects of these difficulties can be minimized.

Résumé

Une estimation précise de la profondeur de l'interface théorique entre l'eau douce et l'eau salée est un élément critique dans les estimations de rendement des puits dans les aquifères insulaires et littoraux. La relation de Ghyben-Herzberg, qui est habituellement utilisée pour estimer la profondeur de cette interface, peut fortement sous-estimer ou surestimer l'épaisseur de l'eau douce, parce qu'elle suppose l'absence de gradient vertical de charge et d'écoulement vertical. L'estimation de la profondeur de l'interface requiert de prendre en considération les gradients verticaux de charge et l'éventuelle anisotropie de l'aquifère. Cet article propose une méthode de calcul des gradients verticaux de charge à partir des mesures de niveau piézométrique faites en cours de foration d'un puits incomplet; le gradient est alors utilisé pour estimer la profondeur de l'interface. L'application de cette méthode à un système eau douce – eau salée simulé numériquement montre que la méthode est la plus précise lorsque le gradient est mesuré dans un puits pénétrant profondément dans l'aquifère. Même en utilisant un puits peu profond, la méthode estime la position de l'interface avec plus de précision que ne le fait la relation de Ghyben-Herzberg lorsqu'il existe un gradient vertical de charge bien marqué. L'application de la méthode à des données de terrain montre que la foration, les méthodes de mesure de niveau et les hétérogénéités au sein de l'aquifère peuvent être la cause de difficultés, mais que les effets de ces difficultés peuvent être réduits.

Resumen

Para la estimación de la productividad de pozos en acuíferos costeros y en islas es necesaria una estimación precisa de la profundidad de la interfaz teórica entre agua dulce y agua salada. La relación de Ghyben–Herzberg, usada habitualmente para estimar la profundidad de la interfaz, puede subestimar o sobrestimar el espesor de agua dulce, al asumir la ausencia de flujos y gradientes verticales. La estimación de la profundidad de la interfaz debe considerar tanto estos gradientes verticales, como la posible anisotropía del acuífero. En este artículo se presenta un método para calcular los gradientes verticales de niveles a partir de las medidas obtenidas durante la perforación de un pozo parcialmente penetrante para, a partir de este gradiente, estimar la profundidad de la interfaz. La aplicación del método a un sistema de agua dulce/agua salada simulado numéricamente muestra que el método es más preciso cuando el gradiente se mide en un pozo profundo. Incluso en el caso de un pozo superficial, el método permite una estimación más precisa de la profundidad de la interfaz que la aplicación de la fórmula de Ghyben–Herzberg, en los casos en los que existen gradientes verticales significativos. La aplicación del método a datos reales muestra que la perforación, la recogida de datos de niveles y la heterogeneidad en el acuífero pueden causar dificultades en la aplicación del método, pero que estas pueden minimizarse.