Behaviour of light immiscible liquid contaminants in fractured aquifers
Authors: Hardisty P. E. , Wheater H. S. , Johnston P. M. , Bracken R. A. 
Published: October 2009

Movement of light immiscible liquids, or light non-aqueous-phase liquids (LNAPLs), within a fissured rock mass is a function of the properties of the immiscible fluid, the fracture network, and the groundwater regime. A conceptual model of field-scale LNAPL behaviour in a network of fractures is described, assuming an impermeable matrix. Within the unsaturated zone, LNAPL is considered to be wetting with respect to air, and will tend to migrate downdip under the influence of gravity within available fractures. Significant lateral migration of LNAPL can occur, depending on the spill volume, and the fracture orientations. Relatively small volumes of LNAPL contained within vertical or subvertical fractures can produce significant connected vertical heights (and thus pressure heads) of LNAPL. Hence, despite being lighter than water, LNAPL can penetrate into the saturated zone, depending on the connected vertical height of LNAPL, the density of the liquid, and the characteristics of the fracture. In larger-aperture subvertical and vertical fractures, where the effects of fracture capillarity are reduced, penetration can be several orders of magnitude deeper than predicted by porous medium LNAPL models. As the groundwater surface fluctuates, due to either seasonal changes in recharge or pumping, LNAPL will follow, insofar as the fracture orientation and aperture allow it to do so. Depending on fracture network geometry, lateral LNAPL migration may occur as the immiscible fluid is 'pumped' along by the groundwater surface fluctuations. Lateral migration distances may be considerable, even in the absence of, or upgradient to, natural hydraulic gradients. LNAPL which migrates into relatively large-aperture sub-horizontal fractures when the water table is low can become trapped as the water table rises. Within these fractures, significant LNAPL saturations may exist. LNAPL trapped beneath the prevailing groundwater surface may be mobilized by changes in fluid pressures, as a result of either groundwater surface changes, or changes in connected vertical heights of LNAPL. Equations and simple models describing LNAPL mobility within fracture networks are developed and applied to data from an LNAPL-contaminated fractured aquifer in Alberta, Canada. The results suggest that existing porous medium—LNAPL models are limited in their ability to describe these processes. These factors should be taken into consideration when designing investigation and remedial programmes in fractured rock.

Le mouvement des liquides immiscibles légers ou des liquides légers en phase non aqueuse (LNAPL) à ľint&aute;rieur d'une masse rocheuse fissurée est une fonction des propri6t6s du fluide immiscible, du r6seau de fracturation et du r&aute;gime des eaux souterraines. Le papier d6crit un modèle th6orique de comportement in situ de LNAPL dans un r&aute;seau de factures, en prenant pour hypothèse une matrice imperm6able. Dans la zone non satur&aute;e, le LNAPL est consid6r6 titre mouillant par rapport à ľair, et aura tendance à s'enfoncer dans le pendage sous Pinfluence de la gravit&aute;, dans les fractures existantes. On pent avoir une migration lat6rale importante du LNAPL, en fonction du volume d&aute;vers&aute; et de ľorientation des fractures. La pr&aute; sence de volumes de LNAPL relativement petits dans les fractures verticales ou sub-verticales pent produire des hauteurs verticales connect&aute;es (et donc des hauteurs de charge) importantes du LNAPL. En conséquence, bien que plus léger que ľeau, le LNAPL pent p&aute;n&aute;trer dans la zone satur&aute;e, en fonction de la hauteur verticale connect&aute;e du LNAPL, de la densit&aute; du liquide et des caract&aute;ristiques de la fracture. Dans les fractures verticales et sub-verticales de plus grande ouverture, dans lesquelles les effets de la capillarit&aute; sont r&aute;duits, la p&aute;n&aute;tration pent d&aute;passer de plusieurs ordres de grandeur la pro-fondeur pr&aute;vue par les mod&aute;les LNAPL en milieu poreux. Le LNAPL suivra la fluctuation de la surface des eaux souterraines—par suite des variations saisonniéres de la recharge ou du pompage—fans la mesure oú ľorientation des fissures et leur ouverture le permettent. Selon la géom&aute;trie du réseau de fracturation, on pent avoir une migration lat&aute;rale du LNAPL du fait du 'pompage' du fluide immiscible, provoqué par les fluctuations de la surface des eaux souterraines. Les distances de déplacement latéral peuvent Être consid&aute;rables, mÊme en ľabsence de gradients hydrauliques naturels ou en amont de gradients hydrauliques. Le LNAPL qui migre dans les fractures sub-horizontales d'ouverture relativement grandes quand la nappe phr6atique est basse, pent Être piégé lors de ľé1évation de la nappe phréatique. Dans ces fractures, on pent avoir des saturations importantes de LNAPL. Le LNAPL piégé au-dessous de la surface des eaux souterraines pent Être mis en mouvement par les variations de pression du fluide, soft a la suite des variations de la surface des eaux souterraines soft à cause des changements des hauteurs verticales conectées de LNAPL. Des équations et des modèles simples de représentation de la mobilité du LNAPL dans les réseaux de fracturation sont mis au point et appliqués à des données provenant d'une formation aquifere en Alberta, au Canada. Le résultats laissent penser que les modéles milieu poreux—LNAPL sont d'une utilite limitée pour décrire ces phénomènes. Ces facteurs doivent Être pris en compte lorsqu'll s'agit d'élaborer des programmes d'étude et de réfection dans du rocher fracturé.