Numerical modelling and hydrochemical characterisation of a fresh-water lens in the Belgian coastal plain

Abstract.

The distribution of fresh and salt water in coastal aquifers is influenced by many processes. The influence of aquifer heterogeneity and human interference such as land reclamation is illustrated in the Belgian coastal plain where, around A.D. 1200, the reclamation of a tidally influenced environment was completed. The aquifer, which was filled with salt water, was thereafter freshened. The areal distribution of peat, clay, silt and sand influences the general flow and distribution of fresh and salt water along with the drainage pattern and results in the development of fresh-water lenses. The water quality in and around the fresh-water lenses below an inverted tidal channel ridge is surveyed. The hydrochemical evolution of the fresh water lens is reconstructed, pointing to cation exchange, solution of calcite and the oxidation of organic material as the major chemical reactions. The formation and evolution of the fresh water lens is modelled using a two-dimensional density-dependent solute transport model and the sensitivity of drainage and conductivities are studied. Drainage level mainly influences the depth of the fresh-water lens, whereas the time of formation is mainly influenced by conductivity.

Résumé.

La répartition de l'eau douce et de l'eau salée dans les aquifères littoraux est influencée par de nombreux mécanismes. L'influence de l'hétérogénéité de l'aquifère et des interférences anthropiques telles que la mise en valeur des terres est illustrée par la plaine côtière belge où, depuis l'an 1200, on a mis en valeur un environnement soumis aux marées. L'aquifère, qui contenait de l'eau salée, contient maintenant de l'eau douce. La distribution spatiale de tourbe, d'argile, de silt et de sable joue un rôle dans l'écoulement général et dans la répartition de l'eau douce et de l'eau salée le long du réseau de drainage et produit des lentilles d'eau douce. La qualité de l'eau dans et autour des lentilles d'eau douce sous une levée de canal de marée est étudiée. L'évolution hydrochimique de la lentille d'eau douce est reconstituée, révélant que les principales réactions chimiques sont l'échange de cations, la dissolution de calcite et l'oxydation de matières organiques. La formation et l'évolution de la lentille d'eau douce sont modélisées en recourant à un modèle en deux dimensions de transport de soluté dépendant de la densité ; la sensibilité au drainage et les conductivités sont étudiées. Le niveau du drainage influence surtout la profondeur de la lentille d'eau douce, alors que le temps de formation de la lentille est surtout influencé par la conductivité.

Resumen.

La distribución de las aguas dulces y salinas en acuíferos costeros está influenciada por muchos procesos. Se ilustra la influencia de la heterogeneidad del medio y de la interferencia humana mediante acciones tales como la recuperación de terrenos en la llanura costera belga, donde, hacia el año 1200 D.C., se aprovechó un medio sometido a fluctuaciones mareales. La salinidad del acuífero, que fue invadido por agua salada, está siendo rebajada desde entonces. La distribución espacial de turba, arcilla, limo y arena influencia el flujo general y la distribución de agua dulce y salina, además de afectar el esquema de drenaje, y origina el desarrollo de lentejones de agua dulce. Se inspecciona la calidad del agua en y en torno a los lentejones de agua dulce bajo la cresta de un canal mareal invertido. Se reconstruye la evolución hidroquímica de los lentejones de agua dulce, proponiendo como reacciones principales el intercambio catiónico, la disolución de calcita y la oxidación de materia orgánica. Se modela la formación y evolución de los lentejones mediante un modelo bidimensional de transporte con densidad variable, y se estudia la sensibilidad del drenaje y de las conductividades. El nivel de drenaje influencia sobretodo la profundidad de los lentejones de agua dulce, mientras el tiempo de formación está esencialmente condicionado por la conductividad.