Faculté des sciences

A new quantitative interpretation of the long-tail and plateau-like breakthrough curves from tracer tests in the artesian karst aquifer of Stuttgart, Germany

Goldscheider, Nicola

In: Hydrogeology Journal, 2008, vol. 16, no. 7, p. 1311-1317

En 1998 et 1999, deux tests avec des traçeurs multiples ont été effectués dans l’aquifère karstique des sources minérales de Stuttgart, Allemagne. Les courbes de restitution (BTCs) observées aux sources ont montré des niveaux de concentration à queue très étirée et à profil en plateau développées pendant plus de 200 jours. Initialement, cette observation a été expliquée... Plus

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    Résumé
    En 1998 et 1999, deux tests avec des traçeurs multiples ont été effectués dans l’aquifère karstique des sources minérales de Stuttgart, Allemagne. Les courbes de restitution (BTCs) observées aux sources ont montré des niveaux de concentration à queue très étirée et à profil en plateau développées pendant plus de 200 jours. Initialement, cette observation a été expliquée qualitativement par un échange entre des cavités avec de l’eau stagnante et des conduits actifs. Depuis lors, une nouvelle solution analytique pour le transfert de traçeur dans un aquifère karstique est devenue disponible, le modèle hors équilibre à deux régions (2RNE), qui suppose la présence de régions à fluides mobiles et immobiles, et un transfert de masse entre ces deux régions. Les tests ont été réexaminés, et il a été possible de fournir une explication plus quantitative du comportement observé. Le nouveau modèle a très bien simulé tous les BTCs, confirmant ainsi l’explication qualitative antérieure. Les BTCs prolongées peuvent être attribuées à un stockage intermédiaire dans des cavités contenant de l’eau souterraine quasi immobile, et une restitution lente dans des fractures et des conduits actifs. Les résultats démontrent aussi que les aquifères karstiques ne sont pas toujours des systèmes à chasse rapide, mais les polluants peuvent parfois demeurer dans des zones de fluide immobile pendant de longues périodes.
    Summary
    In 1998 and 1999, two multi-tracer experiments were conducted in the artesian karst aquifer of the mineral springs of Stuttgart, Germany. The breakthrough curves (BTCs) monitored at the springs showed very long tails or developed plateau-like concentration levels for more than 200 days. Initially, this observation was qualitatively explained by exchange between cavities with stagnant water and the active conduits. Since then, a new analytical solution for tracer transport in karst aquifers has become available, the “two-region non-equilibrium model” (2RNE), which assumes the presence of mobile and immobile fluid regions, and mass transfer between these two regions. The experiments were thus revisited, and it was possible to provide a more quantitative explanation of the observed behaviour. The new model simulated all BTCs very well, thus confirming the earlier qualitative explanation. The prolonged BTCs can be attributed to intermediate storage in cavities containing quasi-immobile groundwater, and slow release into active fractures and conduits. The results also demonstrate that karst aquifers are not always fast-flushing systems, but contaminants can sometimes remain in immobile fluid regions for long periods.
    Summary
    En 1998 y 1999 se llevaron a cabo dos ensayos de trazadores múltiples en el acuífero cárstico artesiano que alimenta manantiales minerales de Stuttgart, Alemania. Las curvas de salida (CS) registradas en los manantiales mostraron colas muy largas o concentraciones en forma de meseta durante más de 200 días. Originalmente, esta observación fue cualitativamente interpretada por el intercambio entre cavidades con agua estancada y los conductos activos. Desde entonces, una nueva solución analítica para el transporte de trazadores en acuíferos cársticos ha sido desarrollada, el “modelo de no equilibrio de dos regiones” (MNE2R) que asume la presencia de dominios de flujo móviles e inmóviles, y transferencia de masas entre ambos. Los experimentos fueron reinterpretados y fue así posible arribar a explicaciones cuantitativas del comportamiento observado. El nuevo modelo simula adecuadamente todas las CS, y confirma la explicación cualitativa original. Las prolongadas colas de las CS pueden atribuirse a un almacenamiento temporario en cavidades que contienen agua casi inmóvil, y un lento desplazamiento hacia zonas de fracturas y conductos activos. Los resultados además muestran que los acuíferos cársticos no son siempre sistemas con flujos rápidos, sino que los contaminantes pueden a veces permanecer por largos períodos en regiones de aguas inmóviles.