Assessment of future trends on groundwater quality in a nitrate vulnerable zone (Esposende–Vila do Conde sector, NW Portugal): towards a combined conceptual and mass transport modelling

Abstract

Nitrate contamination of groundwater is an important public health issue worldwide. For environmental and public health reasons, water should not contain more than 50 mg/L NO₃. An aquifer for which this limit is exceeded can be designated as a nitrate vulnerable zone (NVZ) and subject to action programs to minimize the NO₃ input. The study aims to assess future trends of groundwater quality and to predict the time required for groundwater to achieve the environmental goals in the Esposende–Vila do Conde NVZ (Portugal). Flow and transient nitrate transport modelling were performed using the FEFLOW software. The numerical model represents the saturated zone of phreatic aquifers, designed in a three-dimensional three-layer model. The calibration process was completed through the tool FEPEST. Sensitivity analysis was performed to investigate the model response to changes in hydraulic parameters and aquifer recharge. Two major simulations of mass transport were performed considering different options on nitrogen loads: (1) agricultural nitrogenous loads of diffuse origin; (2) nitrogen loads from agricultural and livestock sectors together. The results show that the minimization measures imposed in the NVZ are effective, shown by the groundwater nitrate concentration decreasing over time; however, concentrations above 50 mg/L will persist for the next two decades in both simulated scenarios. Combining the conceptual hydrogeological model, geovisualization techniques, and numerical flow and mass transport modelling has been shown as a comprehensive approach to understanding the measures needed for sustainable water resources management and particularly to predicting hydraulic heads and NO₃ dispersion in aquifers.

Résumé

La contamination des eaux souterraines par les nitrates est un problème de santé publique important dans le monde entier. Pour des raisons environnementales et de santé publique, l’eau ne devrait pas contenir plus de 50 mg/L de NO₃. Un aquifère pour lequel cette limite est dépassée peut être désigné comme une zone vulnérable aux nitrates (ZVN) et faire l’objet de programmes d’action visant à minimiser l’apport de NO₃. L’étude vise à évaluer les tendances futures de la qualité des eaux souterraines et à prédire le temps nécessaire pour que les eaux souterraines atteignent les objectifs environnementaux dans la ZVN d’Esposende-Vila do Conde (Portugal). La modélisation de l’écoulement et du transport transitoire des nitrates a été réalisée à l’aide du logiciel FEFLOW. Le modèle numérique représente la zone saturée des aquifères phréatiques, conçue dans un modèle tridimensionnel à trois couches. Le processus de calibration a été réalisé grâce à l’outil FEPEST. Une analyse de sensibilité a été réalisée pour étudier la réponse du modèle aux changements des paramètres hydrauliques et de la recharge de l’aquifère. Deux grandes simulations du transport de masse ont été réalisées en considérant différentes options sur les charges d’azote : (1) les charges azotées agricoles d’origine diffuse ; (2) les charges azotées des secteurs de l’agriculture et de l’élevage. Les résultats montrent que les mesures de réduction imposées dans la ZVN sont efficaces, comme en témoigne la diminution de la concentration de nitrates dans les eaux souterraines au fil du temps. Cependant, les concentrations supérieures à 50 mg/L persisteront pendant les deux prochaines décennies dans les deux scénarios simulés. La combinaison du modèle hydrogéologique conceptuel, des techniques de géovisualisation et de la modélisation numérique de l’écoulement et du transport de masse s’est avérée être une approche globale pour comprendre les mesures nécessaires à la gestion durable des ressources en eau et en particulier pour prévoir les charges hydrauliques et la dispersion du NO₃ dans les aquifères.

Resumen

La contaminación por nitratos de las aguas subterráneas es un importante problema de salud pública en todo el mundo. Por razones medioambientales y de salud pública, el agua no debe contener más de 50 mg/L de NO₃. Un acuífero en el que se supere este límite puede ser designado como zona vulnerable a los nitratos ( NVZ) y estar sujeto a programas de actuación para minimizar la entrada de NO₃. El estudio pretende evaluar las tendencias futuras de la calidad de las aguas subterráneas y predecir el tiempo necesario para que las aguas subterráneas alcancen los objetivos medioambientales en la NVZ de Esposende-Vila do Conde (Portugal). La modelización del flujo y del transporte transitorio de nitratos se llevó a cabo mediante el software FEFLOW. El modelo numérico representa la zona saturada de los acuíferos freáticos, diseñada en un modelo tridimensional de tres capas. El proceso de calibración se completó mediante la herramienta FEPEST. Se realizó un análisis de sensibilidad para investigar la respuesta del modelo a cambios en los parámetros hidráulicos y en la recarga del acuífero. Se realizaron dos grandes simulaciones de transporte de masas considerando diferentes opciones de cargas de nitrógeno (1) cargas nitrogenadas agrícolas de origen difuso; (2) cargas nitrogenadas en conjunto de los sectores agrícola y ganadero. Los resultados muestran que las medidas de minimización impuestas en la NVZ son eficaces, lo que se demuestra por la disminución de la concentración de nitrato en las aguas subterráneas a lo largo del tiempo. Sin embargo, las concentraciones superiores a 50 mg/L persistirán durante las dos próximas décadas en ambos escenarios simulados. La combinación del modelo hidrogeológico conceptual, las técnicas de geovisualización y la modelización numérica del flujo y el transporte de masas se ha mostrado como un enfoque global para comprender las medidas necesarias para la gestión sostenible de los recursos hídricos y, en particular, para predecir las alturas hidráulicas y la dispersión del NO₃ en los acuíferos.

摘要

地下水的硝酸盐污染是全球范围内重要的公共卫生问题。出于环境和公共卫生的考虑,水中的NO₃^-含量不得超过50 mg / L。超出此标准的含水层可以指定为硝酸盐易受污染区(NVZ),并应采取行动计划以最大程度地减少NO₃^-的输入。该研究旨在评估未来的地下水水质趋势,并预测实现地下水达到Esposende–Vila do Conde NVZ(葡萄牙)环境目标所需的时间。使用FEFLOW软件进行水流和非稳定硝酸盐迁移建模。数值模型设计了三维三层模型,代表了潜水含水层的饱和带。通过工具FEPEST完成了模型参数率定。通过敏感性分析研究了模型对水力参数和含水层补给量变化的响应。考虑到氮负荷的不同选择,进行了两个主要的质量迁移模拟:(1)分散来源的农业氮负荷;(2)来自农业和畜牧业的氮负荷加在一起。结果表明,NVZ中施加的最小化措施是有效的,这表现为地下水硝酸盐浓度随时间降低。但是,在两种模拟情况下,超过50 mg / L的浓度将在接下来的二十年中持续存在。结合水文地质概念模型,地理可视化技术以及数值流和质量输运模型已被证明是理解可持续水资源管理所需措施的综合方法,尤其是预测含水层中水位和NO₃^-扩散的方法。

Resumo

A contaminação de águas subterrâneas por nitrato é um importante problema de saúde pública em todo o mundo. Por razões ambientais e de saúde humana, a água não deve conter concentrações superiores a 50 mg/L de NO₃. Um aquífero onde há excedência desta norma de qualidade pode ser designado como Zona Vulnerável ao Nitrato de Origem Agrícola (ZV) e sujeito a um Programa de Ação para limitar a entrada de NO₃. Este estudo visa avaliar a evolução da qualidade das águas subterrâneas na ZV de Esposende-Vila do Conde (Portugal) e prever o tempo necessário para que recuperem os objetivos ambientais. A modelação de fluxo subterrâneo e transporte de nitrato foi realizada com recurso ao software FEFLOW. O modelo numérico representa a zona saturada de aquíferos freáticos, através de um modelo tridimensional de três camadas. O modelo foi calibrado com o recurso à ferramenta FEPEST. A análise de sensibilidade foi realizada para investigar a resposta do modelo a alterações de parâmetros hidráulicos e recarga dos aquíferos. Foram efetuadas duas simulações de transporte de massa com diferentes cargas de nitrogénio: (1) cargas de nitrogénio de origem agrícola e difusa; (2) cargas de nitrogénio dos setores agrícola e pecuário. Os resultados mostram que as medidas do Programa de Ação até agora impostas na ZV são eficazes, dado que as projeções das concentrações de nitrato nas águas subterrâneas evidenciam uma diminuição ao longo do tempo. No entanto, concentrações acima de 50 mg/L persistirão nas próximas duas décadas em ambos os cenários simulados. Combinar o modelo hidrogeológico conceptual, técnicas de geovisualização e modelação numérica do fluxo subterrâneo com transporte de massa, demonstra ser uma abordagem completa para compreender as medidas necessárias para a gestão sustentável de recursos hídricos e, particularmente, simular níveis piezométricos e a dispersão de NO₃ em aquíferos.