Advancing in the characterization of coastal aquifers : a multimethodological approach based on fiber optics distributed temperature sensing
Authors:   , Val Alonso Laura del 
Published: July 2023

Detailed characterization of coastal aquifers is essential for proper management of coastal groundwater resources, and coastal areas in general. Still, there is a general lack of systematic monitoring and detailed characterization of the seawater intrusion (SWI). Part of this lack is related to the limitations of traditional tools and methodologies. In this thesis we aim to provide new approaches and methodologies for the characterization of coastal aquifers, and in particular for the SWI dynamics.
At a first stage, three relatively new monitoring systems were tested to characterise the SWI: Cross-Hole Electric Resistivity Tomography (CHERT), Time Laps Induction Logging (TLIL) and Fiber Optics Distribute Temperature Sensing (FO-DTS). We did that by installing the fiber optic cable and CHERT electrodes outside the borehole casing, and allowing to deploy additional tools through the borehole. This multipurpose approach allowed to deploy multiple tools in parallel, decreasing installation costs and improving characterization by combining complementary information. In fact the combination of the three methods allowed to discern different levels of SWI and multiple dynamics.
From these techniques we were interested in further exploring the use of FO-DTS. However, before that we had to study the use of temperature as a tracer of the SWI. Although the fundamentals of heat transport in groundwater are well known, the use of temperature as a natural tracer for SWI is limited. Numerical modelling was used to explore the potential of temperature for studying SWI dynamics at field scale. The results were used to propose a framework for the interpretation of thermal data at the SWI. The framework gives guidelines to identify preferential paths of the SWI, flow direction and even roughly estimate groundwater flux rates, in multilayered coastal aquifers. We concluded that temperature has a potential for SWI motorisation largely unexplored.
Based on the promising results from the modelling exercise, we tested the FO-DTS for monitoring of the SWI continuously during one year and a half. This is commonly called a passive application of the FO-DTS. We were able to identify different levels of the SWI, flow directions and short and long term dynamics. The interpretation confirmed the framework proposed previously.
FO-DTS can also be used actively, thus by heating the fiber optic cable and measuring the evolution of the heating and cooling of the cable. An active FO-DTS application was designed to measure groundwater fluxes and thermal properties of the media. The obtained flux rates are in agreement with independent estimates. Further research is needed to adapt the analytical approach used for the interpretation of the heating curves to account for the effect of the heat storage in the cable material and surrounding elements. Still, the method shows great potential for its application in quantifying discharge fluxes towards the sea, and in general to quantify groundwater fluxes in porous media.
Additionally, traditional methods for the interpretation of pumping testing data were revised. A new approach to extract drawdowns from measured heads during pumping in coastal aquifers is proposed. This approach ease and reinforce the use of this traditional hydraulic characterization technique in coastal aquifers.
Many questions remain unanswered, and many others arise from the exploration of these new and traditional techniques. The wide range of information that can be obtained with FO-DTS well deserves more research, in order to facilitate its general use. The revision of traditional methods, such as the classic pumping test, or well-known theories, like the use of temperature as a natural tracer, may be necessary for their application in coastal aquifers. Still, the set of methods proposed in this document expands the tools and the resolution available to characterise the SWI, contributing to expand the available knowledge about coastal aquifers.
Una caracterización detallada de los acuíferos costeros es esencial para la gestión de los recursos hídricos costeros, y en general de las zonas costeras. A pesar de su importancia, en general no existe un monitoreo sistemático de la zona de intrusión salina (SWI). Parte de esta carencia se debe a limitaciones en las herramientas y metodologías tradicionalmente empleadas. El objetivo de esta tesis es proporcionar nuevos enfoques y herramientas para la caracterización de los acuíferos costeros, y en particular de la SWI. Inicialmente, tres sistemas de monitoreo fueron testados en campo para caracterizar la SWI: Cross-Hole Electric Resistivity Tomography (CHERT), Time Laps Induction Logging (TLIL) and Fiber Optics Distribute Temperature Sensing (FO-DTS). Para poder operar las tres herramientas en paralelo, el cable de fibra óptica y los electrodos de la CHERT se instalaron entre el entubado y el sedimento. De este modo redujimos costes de instalación y mejoramos el proceso de caracterización con la combinación de información complementarias. De hecho, la combinación de las tres permitió´ detectar diferentes niveles y dinámicas de la SWI. De estas tres técnicas, nos hemos querido concentrar en explorar el uso de la FO-DTS para el monitoreo de acuíferos costeros. Sin embargo, antes de todo tuvimos que estudiar el uso de la temperatura como trazador de la SWI. A pesar de que los fundamentos del transporte de calor en agua subterránea están establecidos, el uso de la temperatura como trazador natural de la SWI es limitado. Para estudiar la SWI se han hecho dos modelos numéricos. De los resultados obtenidos surge un posible marco teórico para la interpretación de datos térmicos de la SWI. Usando la distribución vertical de temperaturas podríamos diferenciar niveles de SWI, la dirección de flujo, e incluso aproximar la velocidad del mismo. Con estos resultados llegamos a la conclusión de que el uso de la temperatura para el seguimiento de la SWI tiene todavía un gran potencial sin explorar. Basándonos en estos resultados testamos la FO-DTS para el monitoreo de la SWI en nuestro emplazamiento experimental durante un año y medio. Los datos obtenidos con la FO_DTS permitieron identificar la respuesta de la SWI a eventos a distintas escala temporales. De este modo, los datos confirmaron las conclusiones obtenidas con los modelos numéricos. La FO-DTS puede ser usada también de forma activa, es decir, calentando el cable de fibra óptica y midiendo el calentamiento y posterior enfriamiento. En la tesis proponemos una metodología activa de la FO-DTS para medir la velocidad del flujo de agua subterránea y estimar las propiedades térmicas del medio teniendo en cuenta el efecto del almacenamiento de calor en el cable. Los valores obtenidos concuerdan con estimaciones independientes. El método puede ser aplicado tanto para la caracterización del flujo de descarga al mar en acuíferos costeros, como en cualquier medio poroso saturado. Finalmente, se revisa la interpretación de los tradicionales ensayos de bombeo. De esta revisión surge proponer una alternativa para separar los descensos de los niveles medidos durante el bombeo, y filtrar el ruido. Esta metodología facilita y refuerza el uso de este tipo de ensayos en acuíferos costeros. La FO-DTS proporciona diferentes tipos de información sobre la SWI, lo que bien justifica profundizar en su estudio para poder generalizar su uso. Por otro lado, la revisión de métodos tradicionales, como los ensayos de bombeo, o de metodologías establecidas, como el uso de la temperatura como trazador, podrían beneficiarse de cierta revisión para adaptarlas a las condiciones especificas de los acuíferos costeros. En cualquier caso, el conjunto de métodos presentados en este documento expande las herramientas y resolución disponibles para la caracterización de la SWI en acuíferos costeros.