Numerical assessment of water transit-time through a thick heterogeneous aquifer vadose-zone

ABSTRACT: Vadose-zone modeling is particularly challenging due to difficulties in collecting a variety of measured sediment properties, which are required for parameterizing the model. Few studies have simulated flow processes through a thick vadose-zone using real and comprehensive data sets. The present paper describes a flow model for a 7-m-thick heterogeneous vadose-zone, incorporating measured sediment hydraulic properties of the investigated vadose-zone and considering the actual climate and subsurface conditions of the study site. The model is calibrated by fitting the simulated to the measured profiles of water content. Our flow model calculates a transit-time of one-year; this estimate matches stable isotope-based results obtained previously for this site. A homogeneous sediment domain flow model produces a transit-time that is approximately half the duration of that of the heterogeneous flow model. This difference highlights the importance of assuming heterogeneous material within models of thick vadose-zone and demonstrates the benefit gained by using real sediment hydraulic properties to parametrize a flow model.

RÉSUMÉ: La modélisation numérique d’une zone-vadose est particulièrement difficile en raison des difficultés associées à la collecte de diverses propriétés des sédiments, qui sont nécessaires pour paramétrer un modèle. Peu d'études ont simulé des processus d'écoulement à travers une épaisse zone-vadose en utilisant de données réelles et complètes. Le présent article décrit un modèle d'écoulement pour une zone-vadose hétérogène de 7-m d'épaisseur, en incorporant les propriétés hydrauliques mesurées des sédiments et en tenant compte des conditions climatiques et souterraines réelles du site à l'étude. Le modèle est calé en ajustant les profils simulé et mesuré de la teneur en eau. Notre modèle numérique a calculé un temps de transit d'un an; cette estimation correspond au résultat, basé sur des isotopes stables, ayant été obtenu précédemment pour le site étudié. Un modèle d'écoulement homogène produit un temps de transit qui est environ la moitié de la durée du modèle d'écoulement hétérogène. Cette différence met en évidence l'importance de considérer l’hétérogénéité de la zone-vadose, et témoigne ainsi de l'avantage de l'utilisation des propriétés hydrauliques réelles des sédiments pour paramétrer un modèle numérique.