Coupling 3D groundwater modeling with CFC-based age dating to classify local groundwater circulation in an unconfined crystalline aquifer

International audienceNitrogen pollution of freshwater and estuarine environments is one of the most urgent environmental crises. Shallow aquifers with predominantly local flow circulation are particularly vulnerable to agricultural contaminants. Water transit time and flow path are key controls on catchment nitrogen retention and removal capacity, but the relative importance of hydrogeological and topographical factors in determining these parameters is still uncertain. We used groundwater dating and numerical modeling techniques to assess transit time and flow path in an unconfined aquifer in Brittany, France. The 35.5 km2 study catchment has a crystalline basement underneath a ∼60 m thick weathered and fractured layer, and is separated into a distinct upland and lowland area by an 80 m-high butte. We used groundwater discharge and groundwater ages derived from chlorofluorocarbon (CFC) concentration to calibrate a free-surface flow model simulating groundwater flow circulation. We found that groundwater flow was highly local (mean travel distance = 350 m), substantially smaller than the typical distance between neighboring streams (∼1 km), while CFC-based ages were quite old (mean = 40 years). Sensitivity analysis revealed that groundwater travel distances were not sensitive to geological parameters (i.e. arrangement of geological layers and permeability profile) within the constraints of the CFC age data. However, circulation was sensitive to topography in the lowland area where the water table was near the land surface, and to recharge rate in the upland area where water input modulated the free surface of the aquifer. We quantified these differences with a local groundwater ratio (rGW-LOCAL), defined as the mean groundwater travel distance divided by the mean of the reference surface distances (the distance water would have to travel across the surface of the digital elevation model). Lowland, rGW-LOCAL was near 1, indicating primarily topographical controls. Upland, rGW-LOCAL was 1.6, meaning the groundwater recharge area is almost twice as large as the topographically-defined catchment for any given point. The ratio rGW-LOCAL is sensitive to recharge conditions as well as topography and it could be used to compare controls on groundwater circulation within or between catchments

Constitution of a catchment virtual observatory for sharing flow and transport models outputs

International audiencePredicting hydrological catchment behaviour based on measurable (and preferably widely available) catchment characteristics has been one of the main goals of hydrological modelling. Residence time distributions provide synoptic information about catchment functioning and can be useful metrics to predict their behaviours. Moreover, residence time distributions highlight a wide range of characteristic scales (spatial and temporal) and mixing processes. However, catchment-specific heterogeneity means that the link between residence time distributions and catchment characteristics is complex. Investigating this link for a wide range of catchments could reveal the role of topography, geology, land-use, climate and other factors in controlling catchment hydrology. Meaningful comparison is often challenging given the diversity of data and model structures and formats. To address this need, we are introducing a new virtual platform called Catchment virtual Observatory for Sharing flow and transport models outputs (COnSOrT). The goal of COnSOrT is to promote catchment intercomparison by sharing calibrated model outputs. Compiling commensurable results in COnSOrT will help evaluate model performance, quantify inter-catchment controls on hydrology, and identify research gaps and priorities in catchment science. Researchers interested in sharing or using calibrated model results are invited to participate in the virtual observatory. Participants may test post-processing methods on a wide range of catchment environments to evaluate the generality of their findings

Molecular-scale model for the mass density of electrolyte solutions bound by clay surfaces: Application to bentonites

International audienceA model to simulate the density of solutions adsorbed onto clay mineral surfaces is proposed. In this model, the alteration of the ionic distribution caused by the electric field associated with the surface charge of clay platelets is accounted for using an electrical triple-layer model with an overlapping diffuse layer. The combined effects of ion hydration and the electric field on the structure of water are introduced through their influence on the partial molar volume of water. This model, applied to Na-montmorillonite, simulates the distribution of the interplatelet solution density as a function of the distance to the mineral surface. High densities in the direct vicinity of the surface and slightly lower density (a few percent) than the normal density in the diffuse layer are obtained. These results show good consistency with the available data on bentonite and with the densities that can be inferred from molecular dynamics simulations. This model shows that the interplatelet distance plays an important role in the distribution of the mass density of the solution in the pore space of clay rocks

Les processus couplés dans les argilites du Callovo-Oxfordien sur le site de Bure (implications pour les mouvements de fluide et de solutés)

Les pressions mesurées dans le Callovo-Oxfodien montrent que cette formation est en surpression vis-à-vis de ces encaissants. Une réinterprétation de ces surpressions a été réalisée en considérant les flux couplés et notamment l osmose chimique. Une approche théorique a porté sur les modèles d estimation de l efficacité osmotique et a permis le développement d un modèle électrochimique de type triple couche tronqué. Une approche expérimentale, menée à deux échelles (in situ et échantillon), a permis d estimer des efficacités osmotiques. Un nouveau modèle numérique a permis d interpréter ces expérimentations. Les efficacités osmotiques obtenues sont faibles de l ordre de 10% pour une concentration à 5 g/L eq. NaCl. Une approche numérique, prenant en compte la non-linéarité des équations de couplage et l hétérogénéités des paramètres, permet de calculer, en régime permanent, une accumulation de pression d environ 1-1.5 bars du à l osmose chimique dans le cas le plus favorable.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocSudocFranceF

Time constant of hydraulic-head response in aquifers subjectedto sudden recharge change: application to large basins

International audienc

Experimental device for chemical osmosis measurement on natural clay-rock samples maintained at in situ conditions: Implications for formation pressure interpretations

International audienceIn order to characterize the so-called coupled processes occurring in compacted clay rocks, the coupling coefficients must be identified. For this purpose, an original device which allows such measurement for undisturbed (natural) samples in their in situ conditions was developed. The present experimental device minimizes the fluid leaks improving the accuracy of the coupling parameter determination. Three chemical osmotic tests were performed on a cylindrical sample of Callovo-Oxfordian argilite. Room temperature variations during the chemical osmosis experiments required the implementation of temperature effects in the numerical model used for the interpretations. These variations offered the opportunity of an alternative method to estimate the compressibility of the fluid in the circuit connected to a measurement chamber located in the center of the sample. An osmotic efficiency of almost 0.2 for a concentration of 0.094 mol L-1 is obtained for the Callovo-Oxfordian argilite. This value would explain only some part (approximately 0.10-0.15 MPa) of the overpressures (0.5-0.6 MPa) relative to the surrounding reservoirs measured in this formation. Others processes, such as thermo-osmosis, hydrodynamic boundary condition changes due to climate variations or creep behavior of the shale, could explain the remainder of the overpressures

Inferring transit time distributions from atmospheric tracer data: Assessment of the predictive capacities of Lumped Parameter Models on a 3D crystalline aquifer model

International audienceWhile central in groundwater resources and contaminant fate, Transit Time Distributions (TTDs) are never directly accessible from field measurements but always deduced from a combination of tracer data and more or less involved models. We evaluate the predictive capabilities of approximate distributions (Lumped Parameter Models abbreviated as LPMs) instead of fully developed aquifer models. We develop a generic assessment methodology based on synthetic aquifer models to establish references for observable quantities as tracer concentrations and prediction targets as groundwater renewal times. Candidate LPMs are calibrated on the observable tracer concentrations and used to infer renewal time predictions, which are compared with the reference ones. This methodology is applied to the produced crystalline aquifer of Plœmeur (Brittany, France) where flows leak through a micaschists aquitard to reach a sloping aquifer where they radially converge to the producing well, issuing broad rather than multi-modal TTDs. One, two and three parameters LPMs were calibrated to a corresponding number of simulated reference anthropogenic tracer concentrations (CFC- 11, 85Kr and SF6). Extensive statistical analysis over the aquifer shows that a good fit of the anthropogenic tracer concentrations is neither a necessary nor a sufficient condition to reach acceptable predictive capability. Prediction accuracy is however strongly conditioned by the use of a priori relevant LPMs. Only adequate LPM shapes yield unbiased estimations. In the case of Plœmeur, relevant LPMs should have two parameters to capture the mean and the standard deviation of the residence times and cover the first few decades [0;50 years]. Inverse Gaussian and shifted exponential performed equally well for the wide variety of the reference TTDs from strongly peaked in recharge zones where flows are diverging to broadly distributed in more converging zones. When using two sufficiently different atmospheric tracers like CFC-11 and 85Kr, groundwater renewal time predictions are accurate at 1 to 5 years for estimating mean transit times of some decades (10-50 years). 1-parameter LPMs calibrated on a single atmospheric tracer lead to substantially larger errors of the order of 10 years, while 3-parameter LPMs calibrated with a third atmospheric tracers (SF6) do not improve the prediction capabilities. Based on a specific site, this study highlights the high predictive capacities of two atmospheric tracers on the same time range with sufficiently different atmospheric concentration chronicles

A framework to assess future water-resource under climate change in northern Morocco using hydro-climatic modelling and water-withdrawal scenarios

International audienceStudy region: The Bas-Loukkos catchment, a Mediterranean catchment in northern Moroccoexposed to growing water withdrawal caused mainly by agricultural development.Study focus: For adaptation to climate change, water managers have to consider the high andvarious uncertainties. To assess impacts of climate change on projected water resources, thisstudy aimed to develop a smart analysis framework to provide scientific information by exploring the complexity of many projections combined with hydrological models. Uncertainties were quantified using 13 pair-wise combinations of 5 regional climate models forced by 4 globalclimate models under two emissions scenarios (RCP4.5 and RCP8.5), data with and without biascorrection (using empirical quantile mapping), and two sets of GR2M hydrological model parameters corresponding to different precipitation conditions. The Budyko hypothesis was used to analyse combined effects of climate change on water resources according to water-withdrawal scenarios. Climate and hydrological projections have been analyzed over three periods: shortterm [2020–2040], medium-term [2041–2060] and long-term [2081–2100].New hydrological insights for the region: Results from all simulations indicate that, in the long term (2081–2100), precipitation and discharge will decrease by ca. 21–38% and ca. 50–71%,respectively, compared to the reference period (1981–2005). Consequently, this decline in waterresources will require water management strategies to adapt to the future climatic conditions and water demand

Prédiction des temps de renouvellement dans les aquifères de socle à partir des données de datation des eaux

International audienceLes distributions des temps de transit jouent un rôle central dans les processus de transport, dans l’interprétation des traceurs anthropogéniques ainsi que dans les prédictions portant sur les ressources en eau souterraine dans les aquifères de socle. Cependant elles ne sont pas accessibles directement à l’aide de mesures de terrain. Seules certains moments peuvent être déduites à partir des concentrations en traceurs anthropogéniques, souvent appelées données d’âges de l’eau. Nous évaluons les capacités prédictives de l’information contenue dans les concentrations des traceurs anthropogéniques sur les temps de renouvellement dans les aquifères grâce à l’utilisation de modèles approchés de distributions paramétriques. Pour cela, nous développons une méthodologie reposant sur un aquifère synthétique représentant l’aquifère de socle de Ploemeur (Bretagne, France) utilisé pour fournir en tout point de l’aquifère, des références pour les quantités observables (concentrations anthropogéniques des traceurs CFC-11, 85Kr et SF6), des références pour des quantités «non-observables» (la distribution des temps de transit) et des références en terme de prédiction (temps de renouvellement dans l’aquifère). Les prédictions réalisées à partir de plusieurs modèles approchés (Lumped Parameters Models) à un, deux ou trois paramètres sont comparées en tout point aux résultats synthétiques en fonction de la quantité de données utilisées. L’utilisation d’un seul traceur donne de mauvaises prédictions différant de 7 à 12 ans des prédictions de référence. L’utilisation de deux traceurs anthropogénique suffisamment différent ne réduit pas seulement les erreurs mais conduit à des prédictions précises avec une erreur de l’ordre de 3 ans. L’utilisation d’un troisième traceur anthropogénique n’améliore pas le pouvoir prédictif de ces modèles. Une analyse a posteriori révèle que les distributions de temps de transit de référence varient considérablement de distributions bien piquées dans les zones de recharge à des distributions plus larges dans les zones de convergence. Néanmoins, le même Lumped Parameters Model que ce soit une inverse gaussienne ou une exponentielle shiftée donne des prédictions excellentes quelque soit la position dans l’aquifère. Dans les schémas de circulation où les procédés de mélange et de convergence prévalent, les distributions larges semblent plus adaptées que les modèles multimodaux ou les modèles «shape-free»

Prédiction des temps de renouvellement dans les aquifères de socle à partir des données de datation des eaux

International audienceLes distributions des temps de transit jouent un rôle central dans les processus de transport, dans l’interprétation des traceurs anthropogéniques ainsi que dans les prédictions portant sur les ressources en eau souterraine dans les aquifères de socle. Cependant elles ne sont pas accessibles directement à l’aide de mesures de terrain. Seules certains moments peuvent être déduites à partir des concentrations en traceurs anthropogéniques, souvent appelées données d’âges de l’eau. Nous évaluons les capacités prédictives de l’information contenue dans les concentrations des traceurs anthropogéniques sur les temps de renouvellement dans les aquifères grâce à l’utilisation de modèles approchés de distributions paramétriques. Pour cela, nous développons une méthodologie reposant sur un aquifère synthétique représentant l’aquifère de socle de Ploemeur (Bretagne, France) utilisé pour fournir en tout point de l’aquifère, des références pour les quantités observables (concentrations anthropogéniques des traceurs CFC-11, 85Kr et SF6), des références pour des quantités «non-observables» (la distribution des temps de transit) et des références en terme de prédiction (temps de renouvellement dans l’aquifère). Les prédictions réalisées à partir de plusieurs modèles approchés (Lumped Parameters Models) à un, deux ou trois paramètres sont comparées en tout point aux résultats synthétiques en fonction de la quantité de données utilisées. L’utilisation d’un seul traceur donne de mauvaises prédictions différant de 7 à 12 ans des prédictions de référence. L’utilisation de deux traceurs anthropogénique suffisamment différent ne réduit pas seulement les erreurs mais conduit à des prédictions précises avec une erreur de l’ordre de 3 ans. L’utilisation d’un troisième traceur anthropogénique n’améliore pas le pouvoir prédictif de ces modèles. Une analyse a posteriori révèle que les distributions de temps de transit de référence varient considérablement de distributions bien piquées dans les zones de recharge à des distributions plus larges dans les zones de convergence. Néanmoins, le même Lumped Parameters Model que ce soit une inverse gaussienne ou une exponentielle shiftée donne des prédictions excellentes quelque soit la position dans l’aquifère. Dans les schémas de circulation où les procédés de mélange et de convergence prévalent, les distributions larges semblent plus adaptées que les modèles multimodaux ou les modèles «shape-free»