Simulating flow in karst aquifers at laboratory and sub-regional scales using MODFLOW-CFP

Abstract

Groundwater flow in a well-developed karst aquifer dominantly occurs through bedding planes, fractures, conduits, and caves created by and/or enlarged by dissolution. Conventional groundwater modeling methods assume that groundwater flow is described by Darcian principles where primary porosity (i.e. matrix porosity) and laminar flow are dominant. However, in well-developed karst aquifers, the assumption of Darcian flow can be questionable. While Darcian flow generally occurs in the matrix portion of the karst aquifer, flow through conduits can be non-laminar where the relation between specific discharge and hydraulic gradient is non-linear. MODFLOW-CFP is a relatively new modeling program that accounts for non-laminar and laminar flow in pipes, like karst caves, within an aquifer. In this study, results from MODFLOW-CFP are compared to those from MODFLOW-2000/2005, a numerical code based on Darcy’s law, to evaluate the accuracy that CFP can achieve when modeling flows in karst aquifers at laboratory and sub-regional (Woodville Karst Plain, Florida, USA) scales. In comparison with laboratory experiments, simulation results by MODFLOW-CFP are more accurate than MODFLOW 2005. At the sub-regional scale, MODFLOW-CFP was more accurate than MODFLOW-2000 for simulating field measurements of peak flow at one spring and total discharges at two springs for an observed storm event.

Résumé

L’écoulement dans un aquifère karstique bien développé a lieu de façon prédominante sur des surfaces planes basales, par des fractures, conduits et cavités créées par et/ou élargies par dissolution. Les méthodes conventionnelles de modélisation d’écoulement souterrain supposent que le flux d’écoulement souterrain est conforme aux principes de Darcy où la porosité primaire (i.e. la porosité matricielle) et l’écoulement laminaire sont dominants. Toutefois, dans des aquifères karstiques bien développés, l’hypothèse d’un écoulement darcien peut être remise en question. Tandis que l’écoulement darcien a lieu généralement dans la partie matricielle de l’aquifère karstique, l’écoulement par conduits peut être non laminaire, la relation décharge spécifique-gradient hydraulique n’étant pas linéaire. MODFLOW-CFP Est un programme de modélisation relativement nouveau qui rend compte des écoulements laminaire et non laminaire dans des conduits tels des cavités karstiques à l’intérieur d’un aquifère. Dans cette etude, les résultats MODFLOW-CFP sont compares avec deux MODFLOW-2000/2005, un code numérique basé sur la loi de Darcy, pour évaluer la précision que CFP peut obtenir dans la modélisation des écoulements dans des aquifères karstiques aux échelles laboratoire et subrégionale (Woodville Karst Plain, Florida, USA). En comparaison avec les expériences de laboratoire, les simulations de MODFLOW-CFP sont plus précises que ceux de MODFLOW 2005. A l’échelle subrégionale, MODFLOW-CFP est plus précis que MODFLOW-2000 pour simuler des mesures sur le terrain ou pic de débit à une source et décharge totale de deux sources pour un évènement orageux observé.

Resumen

El flujo de agua subterránea en un acuífero kárstico bien desarrollado ocurre predominantemente a través de planos de estratificación, fracturas, conductos y cuevas creadas y/o ampliadas por disolución. Los métodos convencionales de modelado de aguas subterráneas suponen que el flujo subterráneo está descripto por los principios de Darcy donde la porosidad primaria (por ejemplo matriz de porosidad) y el flujo laminar con dominantes. Sin embargo, en acuíferos kársticos bien desarrollado el supuesto del flujo Darciano puede ser cuestionable. Mientras que en general el flujo Darciano ocurre en la porción de la matriz del acuífero kárstico, el flujo a través de los conductos puede ser no laminar donde la relación entre la descarga específica y el gradiente hidráulico es no linear. MODFLOW-CFP es un programa de modelado relativamente nuevo que considera el flujo laminar y no laminar en conductos, como las cuevas kársticas, dentro de un acuífero. En este estudio, se compararon los resultados de MODFLOW-CFP con aquellos de MODFLOW-2000/2005, un código numérico basado en la ley de Darcy, para evaluar la exactitud que CFP puede lograr donde los flujos modelados en acuíferos kársticas a escalas de laboratorio y subregional (Woodville Karst Plain, Florida, USA). En comparación con los experimentos de laboratorio, los resultados de la simulación por MODFLOW-CFP son más precisos que los MODFLOW 2005. A escala subregional, el MODFLOW-CFP fue más exacto que MODFLOW-2000 para simular las medidas de campo de picos de flujos en un manantial y en la descarga total en dos manantiales para un evento de tormenta observado.

摘要

在高度发达的喀斯特含水层中,地下水流大部分出现在地质层理面、断裂、管道以及由溶蚀所形成的洞穴中。传统的地下水模拟方法假定地下水流符合达西定律,而达西定律主要描述地下水在多空介质中流动,水流为层流。故而,在高度发达的喀斯特含水层中应用达西流的假设是值得商榷的。达西流一般出现在喀斯特含水层的基质部分,而在管道中,水流会出现非层流的情况。在这种情况下,单位排出量和和水力梯度呈非线性关系。MODFLOW-CFP是一款较新的可以模拟地下水在管道(如洞穴)中的层流/非层流的流动的数值程序。在本次研究中,我们将MODFLOW-CFP的模拟结果与基于达西定律开发的MODFLOW-2000/2005的模拟结果进行比较,以评估MODFLOW-CFP在实验室以及区域尺度(Woodville Karst Plain, Florida, USA)模拟喀斯特水流运动的精确度。在实验室尺度上,实验结果显示MODFLOW-CFP比MODFLOW-2005更加精确。在区域尺度,在一场观测的暴风雨降水过程中,MODFLOW-CFP在模拟一个泉点的最大流量以及两个泉的总流量比MODFLOW-2000更加精确。

Resumo

O escoamento subterrâneo num aquífero cársico bem desenvolvido ocorre predominantemente através de planos de estratificação, fraturas, condutas e cavernas criadas e/ou ampliadas por dissolução. Os métodos convencionais de modelação de águas subterrâneas assumem que o fluxo subterrâneo segue os princípios Darcianos, em que a porosidade primária (i.e., porosidade da matriz) e o fluxo laminar são predominantes. No entanto, em aquíferos cársicos bem desenvolvidos, a suposição de fluxo Darciano pode ser questionável. Enquanto o fluxo Darciano ocorre geralmente dentro da matriz do aquífero cársico, o fluxo através das condutas pode ser não laminar, resultando numa relação não linear entre o caudal específico e o gradiente hidráulico. O MODFLOW-CFP é um programa de modelação relativamente recente que considera o fluxo laminar e não-laminar em tubos, tais como cavernas cársicas, dentro de um aquífero. Neste estudo, os resultados do MODFLOW-CFP são comparados com os de MODFLOW-2000/2005, um código numérico baseado na lei de Darcy, para avaliar a precisão que o CFP pode atingir na modelação de fluxo em aquíferos cársicos às escalas de laboratório e sub-regional (Planície Cársica de Woodville, Flórida, EUA). Em comparação com experiências de laboratório, os resultados da simulação pelo MODFLOW-CFP são mais precisos do que os obtidos pelo MODFLOW 2005. À escala sub-regional, o MODFLOW-CFP foi mais exato do que MODFLOW-2000 na simulação de caudais de pico de uma nascente e dos caudais totais de duas nascentes medidos no campo durante um evento de precipitação.