Pathways and timescales associated with nitrogen transport from septic systems in coastal aquifers intersected by canals

Abstract

Septic systems located near coastal waterways can contribute to nutrients that lead to eutrophication, harmful algal blooms, and high levels of fecal coliforms such as E. coli. This study defines pathways and timescales of nitrogen transport released from septic systems using a groundwater-flow and nitrogen transport model of a coastal subdivision connected to 2,000 septic systems and dissected by a dense network of canals. Lift station effluent data are used as a proxy to quantify average household septic nitrogen and fluid contributions of 11 kg/year and 160 m³/year, respectively. These fluxes are upscaled and applied to five sewer conversion zones, each having a known number of septic systems. Model results provide a basis for assessing nitrogen transport timescales associated with (1) coastal groundwaters for regions with high septic density near the coastline and (2) groundwater–canal interaction. Timescales associated with nitrogen removal by natural groundwater flow in a sandy surficial aquifer, following septic to sewer conversion, are predicted by the model to be on the order of 2–3 years for 50% reduction and 8–10 years for 90% reduction. Both numerical and collected field data indicate that canals significantly influence groundwater flow and have the potential to convey nitrogen to coastal waters at rates several orders of magnitude higher than introduced by submarine discharge along the coast. Pre and post sewer conversion data on nitrate and total nitrogen in shallow groundwater from a nearby field site, obtained post-model development, support the nitrogen concentrations and timescales predicted by the numerical model.

Résumé

Les fosses septiques situées à proximité des voies d’eau côtières peuvent constituer une source de nutriments qui mènent à l’eutrophisation, à la prolifération d’algues nuisibles et à des taux élevés de coliformes fécaux tels que E. coli. La présente étude définit les cheminements et les échelles de temps du transfert de l’azote relargué par les fosses septiques, grâce à un modèle d’écoulement des eaux souterraines et de transfert de l’azote, dans une subdivision côtière connectée à 2,000 fosses septiques et traversée par un réseau dense de canaux. Les données sur l’effluent d’une station de relevage sont utilisées en première approximation pour quantifier les apports en azote et en fluides septiques d’une habitation moyenne, respectivement de 11 kg/an et 160 m³/an. Ces flux sont extrapolés et appliqués à cinq zones d’aménagement de réseaux d’égouts, chacun ayant un nombre connu de fosses septiques. Les résultats du modèle fournissent une base pour évaluer les échelles de temps du transfert de l’azote en rapport avec (1) des eaux souterraines côtières dans les régions à forte densité de fosses septiques à proximité du littoral et (2) l’interaction eaux souterraines – canaux. Les échelles de temps relatives à l’élimination de l’azote par l’écoulement naturel des eaux souterraines dans un aquifère sableux superficiel, après la conversion des fosses septiques en réseau d’égouts, sont prédites par le modèle comme étant de l’ordre de 2−3 ans pour 50% de réduction et de 8–10 ans pour 90% de réduction. Les données numériques, comme les données recueillies sur le terrain, indiquent que les canaux influencent considérablement l’écoulement des eaux souterraines et ont la capacité de transporter l’azote vers les eaux côtières à des taux de plusieurs ordres de grandeur plus élevés que ceux introduits par les rejets sous-marins tout au long du littoral. Les données qui précèdent et suivent l’aménagement de réseau d’égouts, qui ont trait à l’azote et au nitrate total dans les eaux souterraines peu profondes dérivés d’un site de terrain proche et qui sont obtenues grâce au développement du modèle, corroborent les concentrations et les échelles de temps de l’azote prédites par le modèle numérique.

Resumen

Los sistemas sépticos ubicados cerca de las corrientes de agua costeras pueden contribuir a los nutrientes que conducen a la eutrofización, la proliferación de algas nocivas y los altos niveles de coliformes fecales como E. coli. Este estudio define las trayectorias y las escalas de tiempo del transporte de nitrógeno liberado por los sistemas sépticos utilizando un modelo de flujo de aguas subterráneas y de transporte de nitrógeno de una subdivisión costera conectada a 2,000 sistemas sépticos y diseccionada por una densa red de canales. Los datos de los efluentes de las estaciones de bombeo se utilizan como aproximación para cuantificar las contribuciones medias de nitrógeno y fluidos de los sistemas sépticos de los domicilios, que son de 11 kg/año y 160 m³/año, respectivamente. Estos flujos se amplían y se aplican a cinco zonas de conversión de alcantarillado, cada una con un número conocido de sistemas sépticos. Los resultados del modelo proporcionan una base para evaluar las escalas de tiempo del transporte de nitrógeno asociadas con (1) las aguas subterráneas costeras para las regiones con alta densidad de sistemas sépticos cerca de la línea de costa y (2) la interacción agua subterránea-canal. Las escalas de tiempo asociadas a la eliminación de nitrógeno por el flujo natural de las aguas subterráneas en un acuífero superficial arenoso, tras la conversión de las fosas sépticas en alcantarillado, son predichas por el modelo del orden de 2–3 años para una reducción del 50% y de 8–10 años si la reducción es del 90%. Tanto los datos numéricos como los recogidos sobre el terreno indican que los canales influyen significativamente en el flujo de las aguas subterráneas y tienen el potencial de transportar el nitrógeno a las aguas costeras a tasas de varios órdenes de magnitud superiores a las introducidas por la descarga submarina a lo largo de la costa. Los datos anteriores y posteriores a la conversión del alcantarillado sobre el nitrato y el nitrógeno total en las aguas subterráneas poco profundas de un sitio de campo cercano, obtenidos después del desarrollo del modelo, apoyan las concentraciones de nitrógeno y las escalas de tiempo predichas por el modelo numérico.

摘要

沿海水道附近的化粪池系统可以提供营养, 从而导致富营养化, 有害藻华和大量粪便大肠菌群(如大肠杆菌)。这项研究利用与2,000个化粪池系统相连并由密集的沟渠网络切割的沿海分区的地下水流和氮运移模型, 定义了化粪池系统释放的氮运移的路径和时间尺度。提升站出水量来表示11 kg/year平均家庭污水氮和160 m³/year液体的产生量。该通量按比例放大并应用于五个下水道转换区, 每个转换区都有已知数量的化粪池系统。模型结果为评估与(1)海岸线化粪池密度高的地区的沿海地下水和(2)地下水-沟渠相互作用相关的氮运移的时间尺度提供了基础。化粪池经下水道转换后, 模型预测的与砂质表层含水层中天然地下水流脱氮相关的时间尺度为2–3年(减少50%)和8–10年(减少90%)。数值模拟和采集的现场数据都表明, 沟渠显著影响地下水流, 并有可能以比沿海海底排泄高几个数量级的速率将氮输送到沿海水域。模型开发后获得的场地附近浅层地下水中硝酸盐和总氮的下水道转换前后数据, 支撑了数值模型所预测的氮浓度和时间尺度。

Resumo

Os sistemas sépticos localizados perto de cursos de água costeiros podem contribuir com nutrientes que levam à eutrofização, proliferação de algas nocivas e altos níveis de coliformes fecais, como E. coli. Este estudo define caminhos e escalas de tempo de transporte de nitrogênio liberado de sistemas sépticos usando um modelo de fluxo de água subterrânea e transporte de nitrogênio de uma subdivisão costeira conectada a 2,000 sistemas sépticos e dissecados por uma densa rede de canais. Os dados de efluentes da estação elevatória são usados ​​como um substituto para quantificar o nitrogênio séptico doméstico médio e as contribuições de fluido de 11 kg/ano e 160 m³/ano, respectivamente. Esses fluxos são aumentados e aplicados a cinco zonas de conversão de esgoto, cada uma com um número conhecido de sistemas sépticos. Os resultados do modelo fornecem uma base para avaliar as escalas de tempo de transporte de nitrogênio associadas com (1) águas subterrâneas costeiras para regiões com alta densidade séptica perto da linha costeira e (2) água subterrânea - interação do canal. As escalas de tempo associadas com a remoção de nitrogênio pelo fluxo natural de água subterrânea em um aquífero superficial arenoso, após a conversão séptica em esgoto, são previstas pelo modelo como sendo da ordem de 2–3 anos para redução de 50% e 8–10 anos para redução de 90%. Os dados de campo numéricos e coletados indicam que os canais influenciam significativamente o fluxo das águas subterrâneas e têm o potencial de transportar nitrogênio para as águas costeiras a taxas várias ordens de magnitude mais altas do que as introduzidas pela descarga submarina ao longo da costa. Os dados de conversão pré e pós esgoto sobre nitrato e nitrogênio total em águas subterrâneas rasas de um local de campo próximo, obtidos após o desenvolvimento do modelo, suportam as concentrações de nitrogênio e escalas de tempo previstas pelo modelo numérico.