Eric Morales-Casique

Mixing of groundwaters with uncertain end-members: case study in the Tepalcingo-Axochiapan aquifer, Mexico

Groundwater geochemical data from the northern portion of the Tepalcingo-Axochiapan Valley, in the state of Morelos, Mexico, are analyzed to improve the conceptual hydrogeologic model of the region. The geochemical data suggest that the chemical composition of groundwater is the result of a mixing process between two end-members represented by groundwater from an upper aquifer composed of volcanic-sedimentary rocks and groundwater from a lower aquifer composed of carbonate rocks. Analysis of published data demonstrates that the chemical composition of at least one of the end-members varies significantly in time. Mixing ratios are computed, taking into account the uncertainty in identifying end-members and the time variability in their chemical composition, using published methods. Computed mixing ratios suggest there is a significant contribution from the lower aquifer to the water pumped by the wells in the area, which should be taken into account in the conceptual hydrogeologic model of the region.RésuméDes données géochimiques concernant le secteur nord de la vallée de Tepalcingo-Axochiapan, dans l’état de Morelos, au Mexique, sont analysées afin d’améliorer le modèle conceptuel régional. Les données géochimiques suggèrent que la composition chimique de l’eau est le résultat d’un processus de mélange entre deux pôles représentés par l’eau d’un aquifère supérieur composé de roches volcano-sédimentaires et l’eau d’un aquifère inférieur composé de roches carbonatées. L’analyse des données publiées démontre que la composition chimique de l’un des deux pôles au-moins varie considérablement dans le temps. Des ratios de mélange sont calculés, prenant en compte l’incertitude dans l’identification des pôles et la variabilité dans le temps de leur composition chimique, à l’aide de méthodes publiées. Les ratios de mélange calculés suggèrent qu’il existe une contribution significative de l’aquifère inférieur dans l’eau pompée par les puits de ce secteur, ce qui devrait être pris en compte dans le modèle hydrogéologique conceptuel de la région.ResumenInformación geoquímica correspondiente a la porción norte del valle de Tepalcingo-Axochiapan, en el estado de Morelos, México es analizada para mejorar el modelo hidrogeológico conceptual de la región. Los datos geoquímicos sugieren que la composición química del agua subterránea es resultado de la mezcla de dos miembros extremos representados por agua de un acuífero superior compuesto por materiales volcano-sedimentarios y por agua de un acuífero inferior compuesto por rocas carbonatadas. El análisis de datos publicados demuestra que la composición química de al menos uno de los miembros extremos exhibe una variabilidad temporal significativa. Proporciones de mezcla son calculadas usando una metodología publicada en la literatura que toma en cuenta la incertidumbre en la identificación de los miembros extremos y la variabilidad temporal de su composición química. Las proporciones de mezcla calculadas sugieren que el caudal extraído por los pozos en el área recibe una aportación significativa del acuífero inferior, caudal que debe ser tomado en cuenta en el modelo conceptual hidrogeológico de la región..摘要摘要:为了加深对墨西哥莫雷洛斯州Tepalcingo-Axochiapan峡谷北部地区水文地质概念模型的了解, 本文分析了该地区的地下水地球化学数据。数据表明地下水的化学组分由两个端元的混合形成, 这两个端元分别是上部火山沉积岩含水层中的地下水和下部灰岩含水层中的地下水。对已发表数据的分析表明至少其中一个端元的化学组成随地下水在含水层中的滞留时间差异较大。考虑到端元的不确定性和不同滞留时间导致的化学组成上的差异, 用已发表方法计算不同端元的混合比。结果表明抽水导致井中下部含水层的贡献大, 区域水文地质概念模型应该考虑这一点。ResumoDados geoquímicos das águas subterrâneas da parte norte do vale de Tepalcingo-Axochiapan, no estado de Morelos, México, foram analisados para melhorar o conhecimento do modelo hidrogeológico da região. Os dados geoquímicos sugerem que a composição química da água subterrânea é o resultado de um processo de mistura entre duas origens de água diferentes, representadas aqui pela água subterrânea do aquífero superior, formado por rochas vulcano-sedimentares, e pela água subterrânea do aquífero inferior, formado por rochas carbonatadas. A análise de dados já publicados demonstra que a composição química de pelo menos uma das origens varia significativamente no tempo. As proporções em que ocorre esta mistura foram calculadas utilizando métodos já publicados na bibliografia e tendo em conta, quer a incerteza em identificar as duas origens, quer a variabilidade temporal da sua composição química. As proporções de mistura calculadas sugerem que existe uma contribuição significativa do aquífero inferior para a água bombeada pelos poços da região, facto que deve ser tido em conta no modelo hidrogeológico da região.

Complex groundwater flow systems as traveling agent models.

Analyzing field data from pumping tests, we show that as with many other natural phenomena, groundwater flow exhibits complex dynamics described by 1/f power spectrum. This result is theoretically studied within an agent perspective. Using a traveling agent model, we prove that this statistical behavior emerges when the medium is complex. Some heuristic reasoning is provided to justify both spatial and dynamic complexity, as the result of the superposition of an infinite number of stochastic processes. Even more, we show that this implies that non-Kolmogorovian probability is needed for its study, and provide a set of new partial differential equations for groundwater flow.

Regional groundwater flow and geochemical evolution in the Amacuzac River Basin, Mexico

An approach is presented to investigate the regional evolution of groundwater in the basin of the Amacuzac River in Central Mexico. The approach is based on groundwater flow cross-sectional modeling in combination with major ion chemistry and geochemical modeling, complemented with principal component and cluster analyses. The hydrogeologic units composing the basin, which combine aquifers and aquitards both in granular, fractured and karstic rocks, were represented in sections parallel to the regional groundwater flow. Steady-state cross-section numerical simulations aided in the conceptualization of the groundwater flow system through the basin and permitted estimation of bulk hydraulic conductivity values, recharge rates and residence times. Forty-five water locations (springs, groundwater wells and rivers) were sampled throughout the basin for chemical analysis of major ions. The modeled gravity-driven groundwater flow system satisfactorily reproduced field observations, whereas the main geochemical processes of groundwater in the basin are associated to the order and reactions in which the igneous and sedimentary rocks are encountered along the groundwater flow. Recharge water in the volcanic and volcano-sedimentary aquifers increases the concentration of HCO3–, Mg2+ and Ca2+ from dissolution of plagioclase and olivine. Deeper groundwater flow encounters carbonate rocks, under closed CO2 conditions, and dissolves calcite and dolomite. When groundwater encounters gypsum lenses in the shallow Balsas Group or the deeper Huitzuco anhydrite, gypsum dissolution produces proportional increased concentration of Ca2+ and SO42–; two samples reflected the influence of hydrothermal fluids and probably halite dissolution. These geochemical trends are consistent with the principal component and cluster analyses.RésuméAn approach is presented to investigate the regional evolution of groundwater in the basin of the Amacuzac River in Central Mexico. Une approche est présentée pour étudier l’évolution régionale des eaux souterraines dans le bassin de la rivière Amacuzac dans le centre du Mexique. L’approche est basée sur la modélisation des écoulements souterrains en coupe, couplée à la chimie des ions majeurs et à la modélisation géochimique, complétée par des analyses en composante principale et par groupe. Les unités hydrogéologiques composant le bassin, qui combinent aquifères et aquitards dans des roches sédimentaires, fracturées et karstiques, ont été représentées dans des sections parallèles à l’écoulement régional des eaux souterraines. Les simulations numériques en régime permanent des coupes transverses ont contribué à la conceptualisation du système d’écoulement des eaux souterraines au travers du bassin et ont permis d’estimer les valeurs de conductivité hydraulique apparente, les taux de recharge et les temps de résidence. Quarante cinq points d’eau (sources, puits et rivières) ont été échantillonnés sur tout le bassin pour les analyses chimiques des ions majeurs. Le système d’écoulement d’eau souterraine modélisé basé sur la gravité reproduit de manière satisfaisante les observations de terrain, tandis que les principaux processus géochimiques des eaux souterraines du bassin sont associés à l’ordre et aux réactions dans lesquelles les roches ignées et sédimentaires se trouvent le long de l’écoulement des eaux souterraines. La recharge en eau dans les aquifères volcaniques et volcano-sédimentaires augmente la concentration en HCO3–, Mg2+ et Ca2+ issue de la dissolution des plagioclases et de l’olivine. Un écoulement d’eau souterraine plus profond intercepte des roches carbonatées, sous conditions de CO2 fermées, et dissolvent la calcite et la dolomite. Lorsque l’eau souterraine intercepte des lentilles de gypse dans le groupe Balsas peu profond ou de l’anhydrite plus profonde d’Huitzuco, la dissolution du gypse produit une augmentation proportionnelle de la concentration du Ca2+ et du SO42–; deux échantillons reflètent l’influence des fluides hydrothermaux et probablement de la dissolution de l’halite. Ces tendances géochimiques sont cohérentes avec les analyses en composante principale et en groupe.ResumenSe presenta un enfoque para investigar la evolución regional del agua subterránea en la cuenca del río Amacuzac, en el centro de México. El enfoque se basa en el modelado de la sección transversal de flujo de agua subterránea en combinación con la química de iones mayoritarios y la modelización geoquímica, complementado con componentes principales y análisis de clúster. Las unidades hidrogeológicas que componen la cuenca, que combinan los acuíferos y acuitardos tanto en rocas granulares, fracturadas y kársticas, fueron representados en las secciones paralelas al flujo regional de agua subterránea. Las simulaciones numéricas en estado estacionario de la sección transversal ayudaron en la conceptualización del sistema de flujo de agua subterránea a través de la cuenca y permitieron la estimación de los valores globales de conductividad hidráulica, las tasas de recarga y los tiempos de residencia. Se muestrearon cuarenta y cinco sitios de agua (manantiales, pozos de agua subterránea y ríos) a través de la cuenca para el análisis químico de los iones mayoritarios. El modelado del sistema de flujo del agua subterránea por gravedad reprodujo satisfactoriamente las observaciones de campo, mientras que los principales procesos geoquímicos del agua subterránea en la cuenca están asociados con el orden y las reacciones en las cuales las rocas ígneas y sedimentarias se encuentran a lo largo del flujo del agua subterránea. El agua de recarga en los acuíferos volcánicos y volcano-sedimentarios aumenta la concentración de HCO3–, Mg2+ y Ca2+ a partir de la disolución de plagioclasas y olivinas. El flujo de agua subterránea más profundo se encuentra con rocas carbonatadas, bajo condiciones cerradas de CO2, y disuelve la calcita y la dolomita. Cuando el agua subterránea encuentra lentes de yeso someros del Grupo Balsas o la anhidrita Huitzuco más profunda, la disolución de yeso producen incremento proporcional en la concentración de Ca2+ and SO42–; dos muestras reflejaron la influencia de los fluidos hidrotermales y probablemente la disolución de halita. Estas tendencias geoquímicas son consistentes con el análisis de las componentes principales y de los clúster.摘要本文论述了调查墨西哥中部Amacuzac河流域地下水的区域演化的方法。该方法基于地下水流横断面模拟结合主要离子化学和地球化学模拟,并补充主要成分分析和聚类分析。构成流域的水文地质单元包括颗粒岩、断裂岩和岩溶岩中的含水层和隔水层,水文地质单元表现为剖面平行于区域地下水流。稳定态横断面数值模拟可以帮助概念化穿过流域的地下水流系统和估算整体水力传导率值、补给率和滞留时间。在整个流域45个水点(泉、地下水井和河流)进行了水样采集用于进行主要离子的化学分析。模拟的重力驱使地下水流系统圆满地再现了野外观测结果,而流域内地下水的主要地球化学过程与顺序和火成岩和沉积岩沿地下水流相遇的反应有关。火山岩和火山-沉积岩含水层中的补给水增加了从斜长石和橄榄石中溶解出的HCO3–, Mg2+ and Ca2+浓度。较深的地下水流遭遇碳酸盐岩,在封闭的CO2条件下,溶解方解石和白云石。当地下水遇到浅层Balsas组的石膏透镜体或者较深的Huitzuco组的硬石膏时,石膏溶解使Ca2+ 和 SO42–浓度成比例增加;两个样品反映了水热流体和可能的硬石膏溶解的影响。这些地球化学趋势与主要成分分析和聚类分析结果一致。ResumoUma abordagem é apresentada para investigar a evolução regional das águas subterrâneas na bacia do Rio Amacuzac no México Central. A abordagem é baseada na modelagem do fluxo das águas subterrâneas em seções hidrogeológicas, em conjunto com a química dos íons principais e modelagem geoquímica, complementada pela análise das componentes principais e de agrupamento. As unidades hidrogeológicas que compõe a bacia, combinam aquíferos e aquitardes, ambos contidos em rochas granulares, fraturadas e cársticas, representados nas seções paralelas ao fluxo regional subterrâneo. Simulações em regime permanente contribuíram na conceptualização do sistema de fluxo subterrâneo ao longo da bacia, e permitiram a estimativa de valores da condutividade hidráulica, taxas de recarga e tempo de residência. Quarenta e cinto pontos foram amostrados (nascentes, poços e rios) ao longo da bacia para análise dos íons principais. O sistema de fluxo subterrâneo induzido pela gravidade modelado, reproduz satisfatoriamente as observações de campo, enquanto os principais processos geoquímicos subterrâneos na bacia estão associados com a sequência em que as rochas ígneas e sedimentares são encontradas ao longo do fluxo subterrâneo e as reações associadas. A recarga em aquíferos vulcânicos e vulcano-sedimentares aumentaram as concentrações de HCO3–, Mg2+ e Ca2+, provenientes da dissolução dos plagioclásios e olivinas. Fluxos profundos alcançam rochas carbonáticas, em sistema fechado aos fluxos de CO2, dissolvendo calcita e dolomita. Quando a água subterrânea encontra lentes de gipsita em pequenas profundidades associadas ao Grupo Balsas, ou anidrita em grandes profundidades no Grupo Huitzuco, a dissolução de gesso produz um aumento proporcional nas concentrações de Ca2+ e SO42–; duas amostras refletem a influência de fluidos hidrotermais e a provável dissolução de halita. Estes comportamentos geoquímicos são consistentes com a análise das componentes principais e a análise de agrupamento.

Nonlinear consolidation in randomly heterogeneous highly compressible aquitards

Severe land subsidence due to groundwater extraction may occur in multiaquifer systems where highly compressible aquitards are present. The highly compressible nature of the aquitards leads to nonlinear consolidation where the groundwater flow parameters are stress-dependent. The case is further complicated by the heterogeneity of the hydrogeologic and geotechnical properties of the aquitards. The effect of realistic vertical heterogeneity of hydrogeologic and geotechnical parameters on the consolidation of highly compressible aquitards is investigated by means of one-dimensional Monte Carlo numerical simulations where the lower boundary represents the effect of an instant drop in hydraulic head due to groundwater pumping. Two thousand realizations are generated for each of the following parameters: hydraulic conductivity (K), compression index (Cc), void ratio (e) and m (an empirical parameter relating hydraulic conductivity and void ratio). The correlation structure, the mean and the variance for each parameter were obtained from a literature review about field studies in the lacustrine sediments of Mexico City. The results indicate that among the parameters considered, random K has the largest effect on the ensemble average behavior of the system when compared to a nonlinear consolidation model with deterministic initial parameters. The deterministic solution underestimates the ensemble average of total settlement when initial K is random. In addition, random K leads to the largest variance (and therefore largest uncertainty) of total settlement, groundwater flux and time to reach steady-state conditions.RésuméUne importante subsidence due à l’exploitation d’eau souterraine peut se produire dans des systèmes aquifères multi-couches où sont présents des semi-perméables (aquitards) très compressibles. La nature fortement compressible des semi-perméables conduit à une consolidation non linéaire où les paramètres d’écoulement de l’eau souterraine dépendent des contraintes. Ce cas est. encore compliqué par l’hétérogénéité des propriétés hydrodynamiques et géotechniques des semi-perméables. L’effet de l’hétérogénéité verticale réelle des paramètres hydrodynamiques et géotechniques sur la consolidation des formations semi-perméables très compressibles est. étudié au moyen de simulations de Monte Carlo 1D où la limite inférieure représente l’effet d’une baisse instantanée de la charge hydraulique due à un pompage. Deux mille simulations sont générées pour chacun des paramètres suivants: conductivité hydraulique (K), coefficient de compressibilité (Cc), indice de vide (e) et m (un paramètre empirique reliant K et e). La structure de corrélation, la moyenne et la variance de chaque paramètre ont été obtenues à partir d’une synthèse bibliographique sur des études de terrain dans les sédiments lacustres de la ville de Mexico. Les résultats indiquent que, parmi les paramètres considérés, la K aléatoire a l’effet le plus important sur le comportement moyen d’ensemble du système, par comparaison à un modèle de consolidation non linéaire avec des paramètres initiaux déterministes. La solution déterministe sous-estime la moyenne d’ensemble du tassement total lorsque la K initiale est. aléatoire. De plus, la K aléatoire conduit à la plus forte variance (et par conséquent à la plus forte incertitude) du tassement total, du flux d’eau souterraine et du temps nécessaire pour atteindre un régime permanent.ResumenUna severa subsidencia del terreno debido a la explotación de agua subterránea puede ocurrir en sistemas multiacuíferos donde están presentes acuitardos altamente compresibles. La naturaleza altamente compresible de los acuitardos conduce a una consolidación no lineal donde los parámetros de flujo del agua subterránea dependen del esfuerzo. El caso se complica aún más por la heterogeneidad de las propiedades hidrogeológicas y geotécnicas de los acuitardos. El efecto de la heterogeneidad vertical de los parámetros hidrogeológicos y geotécnicos en la consolidación de acuitardos altamente compresibles se investiga mediante simulaciones numéricas unidimensionales de Monte Carlo donde el límite inferior representa el efecto de una caída instantánea en la carga hidráulica debido al bombeo del agua subterránea. Se generaron dos mil realizaciones para cada uno de los siguientes parámetros: conductividad hidráulica (K), índice de compresión (Cc), relación de vacíos (e) y m (un parámetro empírico que relaciona la conductividad hidráulica y la relación de vacíos). La estructura de correlación, la media y la varianza para cada parámetro se obtuvieron de una revisión de la literatura sobre los estudios de campo en los sedimentos lacustres de la Ciudad de México. Los resultados indican que, entre los parámetros considerados, l a K aleatoria tiene el mayor efecto sobre el comportamiento promedio del conjunto del sistema en comparación con un modelo de consolidación no lineal con parámetros iniciales determinísticos. La solución determinista subestima el promedio de conjunto del asentamiento total cuando la K inicial es aleatoria. Además, el valor aleatorio de K conduce a una mayor varianza (y, por lo tanto, mayor incertidumbre) de asentamiento total, del flujo de agua subterránea y del tiempo para alcanzar las condiciones en estado estacionario.摘要抽取地下水引起的严重地面沉降可出现在具有可高度压缩的弱透水层的多重含水层系统中,弱透水层的可高度压缩特性导致非线性固结,发生固结地方的地下水流参数与应力相关。弱透水层的水文地质和岩土特性异质性会使情况更加复杂。通过在下部边界水头由于抽水展示出瞬间下降的地方开展一维Monte Carlo数值模拟调查了水文地质和岩土参数的现实垂直异质性对可高度压缩的弱透水层固结的影响。以下参数中每个参数产生了2000个认识结果:水力传导率(K),压缩指数(Cc),孔隙比(e)及 m(与水力传导率好人孔隙比有关的经验参数)。通过查阅墨西哥城湖湘沉积野外研究的文献获取了每个参数的相关结构、平均值和方差。结果表明,在所考虑的参数中,与采用确定性初始参数的非线性固结模型相比时,随机K对系统的整体平均行为影响最大。当初始K为随机时,确定性解决方案低估了整个沉降中整体的平均值。另外,随机K导致整个沉降、地下水通量和时间的最大方差(所以最大不确定性)而达到稳态条件。ResumoA subsidência da terra severa devida à extração de águas subterrâneas pode acontecer em sistemas multi-aquíferos onde existem aquitardos altamente compressíveis. A natureza altamente compressível dos aquitardes leva a uma consolidação não-linear quando parâmetros de fluxo de águas subterrâneas são dependentes do estresse. O caso é ainda mais complicado pela heterogeneidade das propriedades hidrogeológicas e geotécnicas dos aquitardos. O efeito realístico da heterogeneidade vertical dos parâmetros hidrogeológicos e geotécnicos na consolidação de aquitardos altamente compressíveis é investigado por meio de simulações numéricas unidimensionais de Monte Carlo, onde o limite inferior representa o efeito de uma queda instantânea na carga hidráulica devido ao bombeamento das águas subterrâneas. São geradas duas mil realizações para cada um dos seguintes parâmetros: condutividade hidráulica (K), índice de compressão (Cc), razão de vazios (e) e m (parâmetro empírico relacionando à condutividade hidráulica e razão de vazios). A estrutura de correlação, a média e a variância para cada parâmetro foram obtidas a partir de uma revisão da literatura sobre estudos de campo nos sedimentos lacustres da Cidade do México. Os resultados indicam que, entre os parâmetros considerados, o K aleatório tem o maior efeito no comportamento médio do sistema quando comparado a um modelo de consolidação não-linear com parâmetros iniciais determinísticos. A solução determinística subestima a média do conjunto da resolução total quando o K inicial é aleatório. Além disso, o K aleatório leva à maior variação (e, portanto, maior incerteza) da resolução total, do fluxo das águas subterrâneas e do tempo para atingir condições de estado estacionário.