Groundwater model calibration using geophysical data in a coastal setting

Igor Pavlovskii, Julia A. Cantelon, Barret L. Kurylyk

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoNiagara 2021: 74th Canadian Geotechnical Conference; 14th joint with IAH-CNC

RÉSUMÉ: L'echange d'eau entre aquiferes terrestres et l'ocean est un sujet d'interet particulier en regions cotieres. Ces ecoulements (les sorties d'eau souterraine et les intrusions d'eau salee) sont importants en environnements naturels et anthropologiques. Les sorties d'eau souterraine representent une source importante de nutriments et maintiennent des habitats uniques. L'intrusion d'eau salee presente un risque aux ressources d'eau potable pour les communautes cotieres, mais l'invisibilite de ce processus complique la caracterisation, l'evaluation, et la prevision d'impacts. De plus, l'ecoulement d'eau souterraine en regions cotieres es un resultat d'interactions complexes entre forcages terrestres et marins, ce qui cree des difficultes additionnelles pour la collection et l'analyse des donnees. La modelisation numerique des eaux souterraines est une methode etablie pour investiguer les interactions complexes aquifere-ocean. Cependant, plusieurs caracteristiques d'environnements cotieres compromettent l'utilite des methodes de calibration traditionnelles avec des mesures de charge hydraulique. Les gradients hydrauliques faibles sont communs le long des littoraux composes de sables permeables marins et eoliens, ce qui augmente l'incertitude de la calibration. De plus, la variabilite de niveaux piezometriques est elevee en milieux cotieres a cause de marees et tempetes. Cette variabilite ajoute aussi du bruit au signal a long terme. Cette etude demontre une methode alternative pour calibrer un modele numerique hydrogeologique avec la position de l'interface d'eau douce-salee, qui est interpretee selon des sondages geophysiques d'electromagnetisme (TEM en anglais). Un modele hydrogeologique tridimensionnel a ete calibre pour correspondre a la geometrie de l'interface d'eau douce-salee selon un sondage TEM. Le modele calibre a reproduit independamment la profondeur et geometrie de l'interface d'eau douce-salee sur un deuxieme sondage TEM et a aussi predit l'emplacement des plans d'eau de surface. Contrairement a la calibration traditionnelle utilisant des charges hydrauliques, cette methode de calibration n'est pas sensible au bruit dans les donnees et fournit des estimations de proprietes hydrauliques.

ABSTRACT: Groundwater flow to and from the ocean is attracting increasing attention in many coastal regions. Such flows (referred to as submarine groundwater discharge and saltwater intrusion, respectively) play an important role in natural and human-modified settings. Submarine groundwater discharge to the ocean is a major source of nutrients on a global scale and is responsible for maintaining unique habitats. Saltwater intrusion is a constant threat to drinking water supply for groundwater-dependent coastal communities, yet the unseen nature of this subsurface process complicates its characterisation, impact assessment, and forecasting. Furthermore, groundwater flow in coastal areas is a product of the complex interplay between inland and offshore forcing, creating additional difficulties for data collection and analysis. Numerical groundwater flow modelling is an established method of investigating complex ocean-aquifer interactions and interpreting groundwater data. Yet, many characteristics of coastal settings undermine traditional approaches to numerical model calibration based on measured groundwater heads. The presence of permeable marine and aeolian sands along many shorelines results in low groundwater gradients that increase calibration uncertainty and amplify the effects of possible measurement errors. Additionally, groundwater levels in coastal settings are often highly dynamic due to tides and storms. While the associated groundwater level dynamics can be used to extract valuable information about subsurface hydraulic properties, they add noise to the long-term signal. The present study illustrates an alternative approach to model calibration based on the position of a freshwater-saltwater interface determined using TEM (Transient ElectroMagnetic) geophysical soundings. The 3D groundwater flow model was calibrated to match interpreted interface geometry from one geophysical transect. The calibrated model successfully reproduced the saltwater-freshwater interface depth and geometry along a second geophysical transect and predicted the locations of surface water bodies. Unlike level-based calibration, this approach is not sensitive to short-term noise and provides robust bulk estimates of hydraulic properties.

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