Tracer tests to infer the drainage of the multiple porosity aquifer of Luxembourg Sandstone (Grand-Duchy of Luxembourg): implications for drinking water protection

Abstract

The Luxembourg Sandstone is the main strategic aquifer of the Grand-Duchy of Luxembourg, providing one third of the total drinking water resource in the country. In the unconfined part, the aquifer discharges through more than 400 springs, which are used for supply. The long-lasting diffuse contamination by pesticides (more recently Metolachor ESA) has been previously simulated assuming the aquifer as an equivalent porous medium, and using environmental tracers and baseflow characteristics. A statistical analysis of the whole data set of artificial tracer tests made for this aquifer (112 injections involving 102 springs) emphasized the role of the main fissures (NE–SW) for preferential groundwater flow and the importance of including them in a conceptual model involving a multiple-porosity aquifer. The results show that these fissures are influencing the whole flow system. The average peak velocity is 16 m/h and the average first arrival (maximum) velocity is 52 m/h (32 m/h for injection-well to spring traces alone), with a recorded maximum velocity of 350 m/h. The threats of infiltrating streams within catchments have also been characterized, suggesting the usefulness of tracer tests for optimizing protective measures. The main benefit of the study is the improvement in the ability to delineate safeguard zones accurately, according to more representative velocities and the strong anisotropy.

Résumé

Le grès du Luxembourg constitue l’aquifère principal et stratégique du Grand-Duché du Luxembourg, fournissant un tiers des ressources totales d’eau potable du pays. Dans sa partie libre, l’aquifère se décharge par plus de 400 sources, qui sont utilisées pour l’alimentation. La contamination diffuse durable par les pesticides (plus récemment par le Métolachlor ESA) a été simulée précédemment considérant l’aquifère en tant que milieu poreux équivalent, et en ayant recours à des traceurs environnementaux et aux caractéristiques du débit de base. Une analyse statistique de l’ensemble des données des essais de traçage artificiels réalisés au sein de cet aquifère (112 injections concernant 102 sources) a mis en évidence le rôle des principales fissures (NE–SW) sur l’écoulement préférentiel des eaux souterraines et l’importance de les introduire dans un modèle conceptuel concernant un aquifère à porosité multiple. Les résultats montrent que ces fissures influencent l’ensemble du système d’écoulement. La vitesse moyenne au pic est de 16 m/h et la vitesse moyenne de la première arrivée (maximum) est de 52 m/h (32 m/h du point d’injection aux seules traces à la source), avec une vitesse maximale enregistrée de 350 m/h. Les risques d’infiltration des cours d’eau au sein des bassins d’alimentation ont également été caractérisés, suggérant l’apport des essais de traçage pour optimiser les mesures de protection. Le principal avantage de l’étude est d'améliorer de la capacité de délimiter les zones de sauvegarde avec précision, en fonction des vitesses les plus représentatives et de la forte anisotropie.

Resumen

La arenisca de Luxemburgo es el principal acuífero estratégico del Grand-Duchy de Luxemburgo y proporciona un tercio del total de los recursos de agua potable del país. En la zona no confinada, el acuífero descarga a través de más de 400 manantiales, que se utilizan para el suministro. La contaminación difusa de larga data por plaguicidas (más recientemente Metolachor ESA) ha sido previamente simulada asumiendo el acuífero como un medio poroso equivalente, y utilizando trazadores ambientales y características del flujo de base. En un análisis estadístico de todo el conjunto de datos de los ensayos de trazadores artificiales realizados para este acuífero (112 inyecciones con 102 manantiales) se destacó el papel de las principales fisuras (NE–SW) para el flujo preferencial de aguas subterráneas y la importancia de incluirlas en un modelo conceptual que incluye un acuífero de múltiple porosidad. Los resultados muestran que esas fisuras están influyendo en todo el sistema de flujo. La velocidad máxima media es de 16 m/h y la velocidad media de primera llegada (máxima) es de 52 m/h (32 m/h sólo para los trazadores de pozo de inyección a manantial), con una velocidad máxima registrada de 350 m/h. También se han caracterizado las amenazas de infiltración de corrientes dentro de las cuencas, lo que sugiere la utilidad de las pruebas de los trazadores para optimizar las medidas de protección. El principal beneficio del estudio es la mejora de la capacidad de delimitar con precisión las zonas de protección, según velocidades más representativas y la fuerte anisotropía.

摘要

Luxembourg砂岩是Luxembourg大公国主要的战略含水层,提供了该国总饮用水资源的三分之一。在潜水含水层中,含水层有用于供水的超过400多个泉排泄出来。先前已经模拟了农药(Metolachor ESA)对持久扩散性污染,并假设含水层是等效的多孔介质,并使用了环境示踪剂和基流特征。对为此含水层进行的人工示踪试验的整个数据集(涉及102个泉的112次注入)的统计分析得出主要裂缝(NE–SW)对地下水优先流动的作用以及将其包括涉及的多孔含水层地下水概念模型中的重要性。结果表明,这些裂隙正影响整个流动系统。平均峰值速度为16 m/h,平均首次到达(最大)速度为52 m/h(从注入井至泉示踪的仅为32 m/h),记录的最大速度为350 m/h。还对流域入渗式溪流的威胁进行了表征,表明示踪试验对于优化防护措施的有用性。这项研究的主要优点在于根据更具代表性的速度和强各向异性来准确划定保护区的方法改进。

Resumo

O Arenito de Luxemburgo é o principal aquífero estratégico do Grão-Ducado de Luxemburgo, fornecendo um terço do total de água de beber do país. Na parte não confinada, o aquífero descarrega através de mais de 400 nascentes, que são utilizadas para abastecimento. A contaminação difusa de longa duração por pesticidas (mais recentemente Metolachor ESA) foi previamente simulada assumindo o aquífero como um meio poroso equivalente, utilizando-se também traçadores ambientais e características de fluxo de base. Uma análise estatística de todo o conjunto de dados de testes de traçadores artificiais feitos para este aquífero (112 injeções envolvendo 102 nascentes), enfatizou o papel das fissuras principais (NE–SO) para o fluxo preferencial de água subterrânea e a importância de incluí-las em um modelo conceitual envolvendo um aquífero de porosidade múltipla. Os resultados mostram que essas fissuras estão influenciando todo o sistema de fluxo. A velocidade de pico média é de 16 m/h, e a velocidade média da primeira chegada (máxima) é de 52 m/h (32 m/h do poço de injeção para os traços da nascente sozinhos), com uma velocidade máxima registrada de 350 m/h. As ameaças de infiltração em riachos em bacias hidrográficas também foram caracterizadas, sugerindo a utilidade de testes de traçadores para otimizar medidas de proteção. O principal benefício do estudo é a melhoria na capacidade de delinear zonas de salvaguarda com precisão, de acordo com velocidades mais representativas e com a forte anisotropia.