Assessing aquifer susceptibility to and severity of atrazine contamination at a field site in south-central Wisconsin, USA

Abstract

 A field study from October 1989 through July 1992, conducted on a 4.1-km2 area in south-central Wisconsin, USA, examined the distributions of atrazine and its chlorinated metabolites in groundwater and related those distributions to the groundwater flow system. MODFLOW and PATH3D were used to assess bedrock-aquifer susceptibility to contamination. Estimated travel time from water table to bedrock surface ranges from <0.25 to >512 yr. Spatial distribution of the estimates demonstrates that increased travel time to bedrock can result from the presence of shallow surface-water bodies, greater depths to bedrock, and smaller hydraulic conductivities. Estimated travel times to local domestic wells are inversely related to atrazine and desethylated atrazine concentrations observed in water from those wells.

The potential impact of long-term atrazine use on aquifer water quality was investigated using MT3D in two best-case scenarios. Uncertainties associated with predicted atrazine concentrations at various depths and times were estimated. For shallow groundwater, widespread violations of Wisconsin's current preventive action limit were predicted, but with large uncertainty stemming from uncertain estimates of input parameter values. The simulations indicate, however, that moderate inputs at the water table are very unlikely to produce violations of Wisconsin's standards deeper in the aquifer.

Résumé

Une étude de terrain réalisée entre octobre 1989 et juillet 1992, sur une zone de 4,1 km2 dans la partie sud centrale du Wisconsin (États-Unis), s'est intéressée à la distribution de l'atrazine et des ses composés métaboliques chlorés dans les eaux souterraines ; ces données ont été replacées dans le système d'écoulement souterrain. MODFLOW et PATH3D ont été utilisés pour évaluer l'aptitude de la roche réservoir à la contamination. Les temps de parcours depuis l'aquifère vers la surface de la roche ont été estimés entre moins de 3 mois et plus de 512 ans. La distribution spatiale des estimations montre que l'accroissement du temps de parcours vers la roche peut provenir de la présence de paquets d'eau d'origine plus proches de la surface, de plus grandes profondeurs de la roche et de conductivités hydrauliques plus faibles. Les temps de parcours estimés dans les puits domestiques sont inversement proportionnels aux concentrations en atrazine et en atrazine déséthylée observées dans l'eau de ces puits.

L'impact potentiel de l'usage à long terme de l'atrazine sur la qualité de l'eau de l'aquifère a été analysé au moyen de MT3D dans deux scénarios. Des incertitudes associées aux prévisions de concentrations en atrazine pour des profondeurs et des durées variées ont été estimées. Pour l'eau souterraine peu profonde, des dépassements généraux de la limite courante d'action préventive du Wisconsin ont été prédites, mais avec une large incertitude résultant de l'incertitude sur l'estimation des valeurs des paramètres d'entrée. Toutefois, les simulations indiquent qu'il est très peu probable que des entrées modérées au niveau de la surface piézométrique produisent des dépassements des normes du Wisconsin plus profondément dans l'aquifère.

Resumen

Se llevó a cabo un estudio de campo, entre octubre 1989 y julio 1992, en un área de 4.1 km2 situada en la zona sur-central de Wisconsin, EEUU. El objetivo del estudio era examinar las distribuciones de atrazina y sus metabolitos en el agua subterránea, tratando de relacionarlas con el sistema de flujo. Se usaron MODFLOW y PATH3D para evaluar la susceptibilidad del acuífero a la contaminación. El tiempo de tránsito desde el nivel freático a la superficie rocosa se estima entre <0.25 y >512 años. La distribución espacial de las estimaciones muestra que los tiempos de tránsito más elevados pueden deberse a la presencia de cuerpos de agua subsuperficiales, mayores distancias a la roca y conductividades hidráulicas menores. Los tiempos estimados para alcanzar pozos particulares están inversamente relacionados con las concentraciones de atrazina y atrazina desetilada observadas en dichos pozos.

Usando MT3D, se estudió el impacto potencial del uso continuado de atrazina sobre la calidad del agua del acuífero bajo dos hipótesis. Se estimaron las incertidumbres asociadas a la predicción de la concentración de atrazina a varias profundidades y en distintos tiempos. El agua más superficial violaba el límite legal de Wisconsin en amplias zonas, pero con unas incertidumbres asociadas muy grandes, provenientes de la incertidumbre en la estimación de parámetros. Las simulaciones indican, sin embargo, que aportaciones moderadas de atrazina en la superficie freática difícilmente producirán que en las aguas más profundas los valores lleguen a alcanzar los valores límite vigentes en Wisconsin.