Ground Water

Groundwater in karst aquifers constitutes about 25% of drinking water sources globally. Karst aquifers are open systems, susceptible to contamination by surface‐borne pollutants. In this study, springs and wells from two karst aquifers in Illinois, USA, were found to contain microplastics and other anthropogenic contaminants. All microplastics were fibers, with a maximum concentration of 15.2 particles/L. The presence of microplastic was consistent with other parameters, including phosphate, chloride and triclosan, suggesting septic effluent as a source. More studies are needed on microplastic sources, abundance, and impacts on karst ecosystems.

The presence of caffeine or human Pharmaceuticals in ground water with elevated nitrate concentrations can provide a clear, unambiguous indication that domestic waste water is a source of some of the nitrate. Water from domestic, public supply, and monitoring wells in three communities near Reno, Nevada, was sampled to test if caffeine or Pharmaceuticals are common, persistent, and mobile enough in the environment that they can be detected in nitrate‐contaminated ground water and, thus, can be useful indicators of recharge from domestic waste water. Results of this study indicate that these compounds can be used as indicators of recharge from domestic waste water, although their usefulness is limited because caffeine is apparently nonconservative and the presence of prescription Pharmaceuticals is unpredictable. The absence of caffeine or Pharmaceuticals in ground water with elevated nitrate concentrations does not demonstrate that the aquifer is free of waste water contamination. Caffeine was detected in ground water samples at concentrations up to 0.23 μg/L. The human Pharmaceuticals chlorpropamide, phensuximide, and carbamazepine also were detected in some samples.

This study examines the effectiveness of various waterflooding strategies to recover pooled dense nonaqueous phase liquid (DNAPL) from the subsurface at an industrial facility. The relative influence of horizontal injection/recovery well configuration, established hydraulic gradient, and fluid properties is investigated for a site characterized by a homogeneous silty sand underlain by an impermeable clay layer. The top of the clay layer is located 5 m below the water table and supports a laterally extensive 2 m deep DNAPL pool. The sensitivity study employs a two‐phase flow numerical model that simulates both DNAPL infiltration and redistribution, including the formation of immobilized DNAPL residual. This is accomplished with constitutive relations featuring hysteretic capillary pressure‐saturation pathways in which the local amount of residual formed is a function of the maximum non‐wetting saturation attained during infiltration. Sixteen simulations, performed in two‐dimensional vertical cross‐section, demonstrate that strategies effecting increased wetting phase gradients, namely increasing drawdown at the recovery drain, adding injection wells, and reducing their distance to the recovery drain, result in an increased DNAPL volume recovered with time at the expense of increased volumes of ground water removed per unit volume of DNAPL recovered. Strategies which do not increase wetting phase gradients result in DNAPL recovery with a minimum volume of produced contaminated ground water. Three pulsed pumping simulations indicate that increasing the length of pump shut‐down time decreases the recovery of DNAPL with time but increases efficiency with respect to ground water pumped. Decreased nonwetting density and increased interfacial tension result in poorer DNAPL recovery with respect to both time and volume of ground water removed, while reduced nonwetting viscosity corresponds to dramatically increased efficiency in both respects.

Seven hundred seventy liters of a dense nonaqueous phase liquid (DNAPL), tetrachloroethylene (PCE), were released into an isolated volume of a completely saturated natural sandy aquifer. The release was monitored over a period of 984 hours with a variety of geophysical methods including ground penetrating radar, time domain reflectometry, in situ resistivity, and a neutron soil moisture probe. The PCE formed a pool on a low permeability layer at approximately 1 m depth and spread over an area exceeding 32 m². In its course of downward migration, the PCE subsequently formed eight smaller pools. At the end of the experiment an estimated 41 percent of the total PCE volume remained trapped in the upper pool.

The PCE mass and its spatial moments were calculated from radar reflection amplitudes. Between 48 and 100 percent of the PCE mass was accounted for by radar measurements. The center of mass moved a total of 0.5 m south southeast and 1.3 m downward. Spatial variances showed that the greatest lateral spreading occurred in the east‐west direction. The results demonstrate that natural heterogeneities, even in a relatively homogeneous aquifer, can cause DNAPLs to spread laterally over large areas in the subsurface. This experiment also demonstrated that while the ability of geophysics to uniquely measure the presence of DNAPL is limited, certain techniques are well‐suited to monitoring changes in DNAPL saturation.

This paper describes a field experiment involving the release of 230.9 liters of tetrachloroethylene (PCE) below the water table in a naturally occurring, unconfined sand aquifer. The release was executed in a 3 m X 3 m X 3.4 m deep, scalable‐joint steel sheet‐pile cell anchored into an underlying clay aquitard. After allowing 28 days for redistribution, excavation of the upper approximately 0.9 m of the cell revealed PCE pools and residual to be present in relatively coarser grained horizons, with substantial degrees of lateral flow having taken place. This lateral flow was observed in laminations and lenses ranging in thickness from a few mm to a few cm, with only subtle variations in texture separating individual migration pathways. Detailed sampling during the excavation procedure and subsampling of three cores extended down to the clay aquitard revealed a spatially variable distribution of PCE with saturations ranging from 1% to 38% of pore space. Laboratory measurement of a fully hysteretic capillary pressure curve demonstrated that the degree of nonwetting phase residual is a function of the maximum saturation attained along main drainage during the initial infiltration process. Various models for consolidated petroleum reservoir materials did not fit the experimental data well. The theory governing pool formation in heterogeneous porous media is also presented, and it is demonstrated that pools can form in homogeneous media exhibiting a distinct entry pressure.

The Middendorf aquifer of South Carolina exhibits a 40‐kilometer‐wide zone where dissolved ferrous iron concentrations commonly exceed 1 mg/I. Downgradient of this zone, dissolved iron concentrations decrease to less than 0.05 mg/1. Geochemical and microbiologie evidence indicates that this zonation reflects the competitive exclusion of sulfate‐reducing activity by Fe(IH)‐reducing bacteria in the high‐iron zone and the emergence of sulfate reduction as the predominant process in the low‐iron zone. Viable Fe(III)‐ and sulfate‐reducing bacteria coexist throughout the aquifer. However, the observed linear relationship between dissolved iron and dissolved inorganic carbon as well as the lack of sulfate consumption indicates that sulfate‐reducing bacteria are much less active than Fe(III)‐reducing bacteria in the high‐iron zone. Fe(III)‐reducing bacteria appear to exclude sulfate‐reducing activity by maintaining dissolved hydrogen (˜1.0 nM), formate (˜2.0 μM), and acetate (˜1.0 μM) concentrations at levels lower than thresholds required by sulfate‐reducing bacteria. Downgradient of the high‐iron zone, Fe(III)‐reducing activity becomes limited by a lack of Fe(III) oxyhydroxides as Middendorf sediments become progressively more marine in origin. Hydrogen, formate, and acetate concentrations then increase to levels (˜3.0 nM, ˜10.9, and 2.5 μM, respectively) that allow sulfate‐reducing bacteria to become active. Increased sulfide production strips ferrous iron from solution by precipitating ferrous sulfides, and dissolved iron concentrations decrease. The observed high‐iron zonation is thus one manifestation of microbial competition for scarce substrates. The wide occurrence of similar water‐chemistry patterns implies that microbial competition mechanisms are important to the ground‐water geochemistry of many hydrologie systems.

The state‐space estimation technique presented herein provides a method for obtaining optimal estimates of concentrations for two‐dimensional plumes in ground water. The concentration of a plume was defined as the state variable. The technique uses the Kalman filter and involves combining two independent estimates of plume concentrations. One estimate is called the process modeling data and the other is called the “measurement” data. The process modeling data is obtained from a numerical model. The “measurement” data is obtained from field measurements; however, for illustration in this paper it was generated by a different numerical model than the one used to obtain the process modeling data. The state‐space technique produces a distribution of contaminant concentrations that is more accurate than either of the distributions generated by the process modeling or the “measurement” data. An example is presented to show that the technique produces significant improvements in the prediction of plume concentration distributions.

Các hồ sơ chiều sâu dọc của các đồng vị nước lỗ rỗng (δD và δ¹⁸O) trong các khối giáp nước giàu đất sét đã được sử dụng để chỉ ra rằng quá trình vận chuyển chất tan chủ yếu được chi phối bởi khuếch tán phân tử, xác định thời gian của các sự kiện địa chất, và ước lượng độ dẫn thủy tĩnh theo chiều dọc. Việc giải thích các hồ sơ đồng vị trong các nghiên cứu này được dựa trên các mẫu nước lỗ rỗng thu thập từ các piezometer được lắp đặt trong các tổ (thông thường từ 4 đến 15 piezometer) ở độ sâu từ 10 đến 80 m. Dữ liệu từ các tổ piezometer thường có độ phân giải chiều dọc kém (mét), đặt ra câu hỏi về khả năng của chúng trong việc tiết lộ tác động của các bất đồng nhất có quy mô nhỏ hơn như các khối cát thấm nước hoặc các vùng đất nứt nẻ đối với quá trình vận chuyển chất tan. Ở đây, chúng tôi đã sử dụng các hồ sơ chiều sâu δD và δ¹⁸O có độ phân giải cao (30-cm) từ hai lỗ khoan cốt lõi liên tục trong một khối giáp nước đất hạ để cung cấp cái nhìn mới về ảnh hưởng của các khối cát đến việc vận chuyển chất tan. Các hồ sơ có nguồn gốc từ cốt lõi có độ phân giải cao cho thấy rằng những bất đồng nhất như vậy có thể gây ra sự sai lệch lớn so với các hồ sơ khuếch tán một chiều. Hơn nữa, việc so sánh các giá trị được đo bằng piezometer với các xu hướng khuếch tán phù hợp nhất cho thấy những sai lệch tinh tế, gợi ý sự hiện diện của các bất đồng nhất không nên bị bỏ qua. Các hồ sơ có độ phân giải cao cũng xác định rõ hơn sự tiếp xúc giữa vùng oxi hóa bị nứt cao và vùng không bị oxi hóa bên dưới so với các piezometer.

Sự kết hợp giữa các quá trình thủy lực và poro đàn hồi là rất quan trọng trong việc dự đoán các quá trình liên quan đến sự biến dạng của môi trường địa chất do sự khai thác hoặc bơm chất lỏng. Các mô hình số lượng mà xem xét sự kết hợp của các quá trình thủy lực và poro đàn hồi yêu cầu kiến thức về các tham số liên quan cho cả các đơn vị aquifer và aquitard. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã ước lượng chung các tham số thủy lực và poro đàn hồi từ dữ liệu thử bơm thể hiện "sự dao động mực nước ngược", được gọi là hiệu ứng Noordbergum, trong các aquitard liền kề với một aquifer đang bơm. Việc ước lượng chung được thực hiện bằng cách kết hợp BIOT2, một mô hình nước ngầm hai chiều, dạng trục đối xứng và phần tử hữu hạn mà xem xét các hiệu ứng poro đàn hồi với mã ước lượng tham số PEST. Chúng tôi đã thử nghiệm phương pháp của mình bằng cách sử dụng một bộ dữ liệu tổng hợp với các tham số biết trước. Kết quả của trường hợp tổng hợp cho thấy rằng đối với một hệ thống phân lớp đơn giản, có thể tái tạo chính xác cả các thuộc tính thủy lực và poro đàn hồi cho mỗi lớp. Tiếp theo, chúng tôi đã áp dụng phương pháp này vào dữ liệu thử bơm thu thập được tại Địa điểm Nghiên cứu Bắc (NCRS) trên khuôn viên Đại học Waterloo (UW). Dựa trên kiến thức chi tiết về địa tầng, một hệ thống năm lớp đã được mô hình hóa. Việc ước lượng tham số được thực hiện bằng cách: (1) khớp dữ liệu hạ thấp mực nước từ từng cảng quan sát riêng lẻ và (2) khớp dữ liệu hạ thấp mực nước từ tất cả các cảng tại một giếng duy nhất cùng một lúc. Các tham số thủy lực ước tính được so sánh với các tham số thu được bằng các phương pháp khác tại địa điểm, cho kết quả tốt. Tuy nhiên, mô đun cắt ước tính cao hơn so với mô đun cắt tĩnh, nhưng nằm trong khoảng mô đun cắt động được báo cáo trong tài liệu, điều này có thể gợi ý một hiệu ứng tốc độ tải.

Độ dẫn nước đứng theo phương thẳng đứng (K_v), khả năng tích trữ cụ thể lập tức (S_ske), và khả năng tích trữ cụ thể không lập tức (S_skv) của các tầng chứa nước là ba tham số quan trọng nhất trong các nghiên cứu về sự lún đất. Hai phương pháp phân tích mới được đề xuất để ước lượng ba tham số này. Phương pháp phân tích đầu tiên dựa trên khái niệm mới về tỷ lệ thời gian trễ để ước lượng K_v và S_ske của một tầng chứa nước chịu ảnh hưởng của những biến đổi áp lực nước chu kỳ ổn định lâu dài tại các ranh giới. Phương pháp phân tích thứ hai ước lượng S_skv của tầng chứa nước khi áp lực nước tại các ranh giới giảm theo hàm tuyến tính. Cả hai phương pháp đều dựa trên các giải pháp phân tích cho dòng chảy trong tầng chứa nước, và chúng được sử dụng chung để thu được các ước lượng tham số. Phương pháp phân tích chung này được áp dụng để ước lượng K_v, S_ske, và S_skv của một tầng chứa nước dày 34,54 m mà quá trình biến dạng đã được ghi nhận bằng một đồng hồ giãn nở đặt tại Thượng Hải, Trung Quốc. Các kết quả ước lượng sau đó được hiệu chỉnh bằng PEST (Doherty 2005), một mã hiệu chỉnh tham số được liên kết với mô hình thoát nước một chiều trong tầng chứa nước. Các giá trị K_v và S_ske được ước lượng bằng phương pháp phân tích chung rất gần với những giá trị ước lượng thông qua mô hình ngược và đã thể hiện tốt hơn nhiều trong việc mô phỏng biến dạng đàn hồi so với những ước lượng thu được từ phương pháp biểu đồ ứng suất - biến dạng của Ye và Xue (2005). Phương pháp phân tích chung mới được đề xuất là công cụ hiệu quả cung cấp các giá trị ban đầu hợp lý để hiệu chỉnh các mô hình lún đất.