Large-scale hydraulic conductivity distribution in an unconfined carbonate aquifer using the ocean tidal propagation

Abstract

The hydraulic conductivity of an unconfined carbonate aquifer at the uplifted atoll of Minami-Daito, Japan, was evaluated by a combination of cross-spectral analysis, analytical solution, and density-dependent groundwater modeling based on observed groundwater levels in 15 wells and at sea level. The island area was divided into 10 subregions based on island morphology and on inland propagation of ocean tides. The hydraulic conductivity was obtained for each subregion using analytical solutions based on phase lags of M₂ constituents of ocean tides at each well by assuming two aquifer thicknesses (300 and 1,800 m) and two effective porosities (0.1 and 0.3). The density-dependent groundwater model evaluated the hydraulic conductivity of the subregions by reproducing observed groundwater levels. The hydraulic conductivity in the subregions was estimated as 3.46 × 10⁻³ to 6.35 × 10⁻² m/s for aquifer thickness of 300 m and effective porosity of 0.1, and as 1.73 × 10⁻³ to 3.17 × 10⁻² m/s for aquifer thickness of 1,800 m and the effective porosity of 0.3. It was higher in southern and northern areas, and higher in interior lowland than in the western and eastern areas. Fissures and dolomite distributions on the island control differences of the omnidirectional ocean tidal propagation and cause these differences in hydraulic conductivity. The method used for this study may also be applicable to other small islands that have few or no data for hydraulic conductivity.

Résumé

La conductivité hydraulique d’un aquifère libre carbonaté de l’atoll surélevé de Minami-Daito, Japon, a été évaluée à l’aide d’une combinaison d’analyse cross spectrale, de solutions analytiques, et de modélisation des eaux souterraines avec prise en compte de l’effet de la densité basée sur les niveaux piézométriques observés dans 15 puits et le niveau de la mer. La surface de l’île a été divisée en 10 sous-régions à partir de sa morphologie et de la propagation des marées océaniques à l’intérieur des terres. La conductivité hydraulique a été obtenue pour chaque sous-région à l’aide de solutions analytiques basées sur les décalages de phase des constituants M₂ des marées océaniques à chaque puits en supposant deux épaisseurs d’aquifère (300 et 1,800 m) et deux valeurs de porosité effective (0.1 et 0.3). Le modèle d’écoulement des eaux souterraines avec prise en compte de l’effet de densité a permis d’évaluer la conductivité hydraulique des sous-régions en reproduisant les niveaux piézométriques observés. Les valeurs de la conductivité hydraulique dans les sous-régions estimées sont comprises entre 3.46 × 10⁻³ et 6.35 × 10⁻² m/s pour une épaisseur d’aquifère de 300 m et une porosité efficace de 0.1, et entre 1.73 × 10⁻³ et 3.17 × 10⁻² m/s pour une épaisseur d’aquifère de 1,800 m et une porosité efficace de 0.3. Les valeurs de conductivité sont plus élevées dans les régions méridionales et septentrionales, et aussi plus élevées dans les plaines intérieures que dans les régions occidentales et orientales. Les distributions des fissures et de la dolomie sur les îles contrôlent les différences dans la propagation de la marée océanique indépendamment de la direction et sont la cause de ces différences de valeurs de conductivité hydraulique. La méthode utilisée pour cette étude peut aussi être appliquée à d’autres petites îles pour lesquelles on ne dispose que de peu ou pas de données de conductivité hydraulique.

Resumen

Se evaluó la conductividad hidráulica de un acuífero carbonatado no confinado en el atolón elevado de Minami-Daito, Japón, mediante una combinación de análisis espectral cruzado, solución analítica y modelización de aguas subterráneas en función de la densidad, basándose en los niveles de agua subterránea observados en 15 pozos y el nivel del mar. La zona de la isla se dividió en 10 subregiones basadas en la morfología de la isla y en la propagación hacia el interior de las mareas oceánicas. La conductividad hidráulica se obtuvo para cada subregión utilizando soluciones analíticas basadas en los desfases de los constituyentes M₂ de las mareas oceánicas en cada pozo asumiendo dos espesores de acuífero (300 y 1,800 m) y dos porosidades efectivas (0.1 y 0.3). El modelo de agua subterránea dependiente de la densidad evaluó la conductividad hidráulica de las subregiones reproduciendo los niveles de agua subterránea observados. La conductividad hidráulica en las subregiones se estimó entre 3.46 × 10⁻³ y 6.35 × 10⁻² m/s para un espesor del acuífero de 300 m y una porosidad efectiva de 0.1, y entre 1.73 × 10⁻³ y 3.17 × 10⁻² m/s para un espesor del acuífero de 1,800 m y una porosidad efectiva de 0.3. Fue mayor en las zonas del sur y del norte, y mayor en las zonas bajas del interior que en las zonas del oeste y del este. Las fisuras y la distribución de la dolomita en la isla controlan las diferencias de la propagación omnidireccional de la marea oceánica y causan estas diferencias en la conductividad hidráulica. El método utilizado para este estudio también puede ser aplicable a otras islas pequeñas que tienen pocos o ningún dato de conductividad hidráulica.

摘要

通过结合交叉光谱分析, 解析解和变密度地下水模型, 并基于15眼井和海上观测到的地下水位, 对日本Minami-Daito隆起环礁中承压碳酸盐含水层的渗透系数进行了评估。根据岛屿的形状和海洋潮能向内陆的传播, 将岛屿区域划分为10个子区域。假设两个含水层厚度(300和1,800 m)和两个有效孔隙率(0.1和0.3), 采用解析解基于每眼井海潮M₂成分的相位滞后, 获得每个分区的渗透系数。变密度地下水模型通过模拟观测到的地下水位来评估分区的渗透系数。对于300 m的含水层厚度和0.1的有效孔隙率, 该子区域的渗透系数约为3.46 × 10⁻³至6.35 × 10⁻² m/s; 而含水层厚度为1,800 m和的有效孔隙率为0.3的区域, 渗透系数约为1.73 × 10⁻³至3.17 × 10⁻² m/s。与西部和东部区域相比, 南部和北部地区的渗透系数大, 而且内陆低地区渗透系数大。岛上裂缝和白云岩分布控制了全方位海洋潮能传播的差异, 并产生了渗透系数的差异。研究方法也适用于其他很少或没有渗透系数数据的小岛。

Resumo

A condutividade hidráulica de um aquífero carbonático não confinado no atol elevado de Minami-Daito, Japão, foi avaliada por uma combinação de análise espectral cruzada, solução analítica e modelagem de águas subterrâneas dependentes da densidade com base em níveis observados de águas subterrâneas em 15 poços e no mar nível. A área da ilha foi dividida em 10 subregiões com base na morfologia da ilha e na propagação das marés oceânicas para o interior. A condutividade hidráulica foi obtida para cada subregião usando soluções analíticas baseadas em defasagens de fase de M₂ ​​constituintes das marés do oceano em cada poço, assumindo duas espessuras de aquífero (300 e 1,800 m) e duas porosidades efetivas (0.1 e 0.3). O modelo de água subterrânea dependente da densidade avaliou a condutividade hidráulica das subregiões reproduzindo os níveis de água subterrânea observados. A condutividade hidráulica nas subregiões foi estimada como 3.46 × 10⁻³ a 6.35 × 10⁻² m/s para a espessura do aquífero de 300 me porosidade efetiva de 0.1, e como 1.73 × 10⁻³ a 3.17 × 10⁻² m/s para a espessura do aquífero de 1,800 m e a porosidade efetiva de 0.3. Ela foi mais alta nas áreas do sul e norte, e mais alta nas planícies do interior do que nas áreas oeste e leste. Fissuras e distribuições de dolomita na ilha controlam as diferenças na propagação das marés oceânicas omnidirecionais e causam essas diferenças na condutividade hidráulica. O método usado para este estudo também pode ser aplicável a outras pequenas ilhas que têm poucos ou nenhum dado de condutividade hidráulica.