Effects of layered heterogeneity in subsurface geologic materials on solute transport under field conditions: A case study from northeastern Iowa, USA

In the Cedar River watershed of northeastern Iowa, USA, water quality in 17 out of 20 private wells indicates that groundwater is contaminated with nitrate from agricultural leachates. In nine of the wells, nitrate concentration exceeds the US Environmental Protection Agency recommended maximum contaminant level (MCL) of 45umg/L (as NO3 ^m) for drinking purposes. Solute-transport investigations determined that the surficial loam sediments, the Quaternary sand and gravel deposits, and the glacial till deposits form layered heterogeneity in the subsurface. The resulting conductivity contrast causes a capillary barrier, thereby altering the mechanisms of vertical tracer movement. Storm-water tracing with potassium bromide, corn fertilizer, and fluorescein dye indicates that macropore flow occurs only within the upper 0.9um of loamy sediments. An average breakthrough concentration of 204umg/L bromide at 0.3um depth on day 3 after the storm event supports the hypothesis of macropore flow in the surficial soils. Fluorescein dye was recovered at a depth of 0.3um with a peak concentration of 650u7g/L at approximately 5udays after the storm event. The loamy sediment layer is underlain by the Iowan Pebble Band, a pebbly layer admixed with sand, developed in post-glacial time. In the field experiments, preferential flow of the tracers was predominantly vertical within the loamy sediments but rapidly changed to a horizontal matrix flow upon entering the materials of higher saturated hydraulic conductivity in the Pebble Band. The Pebble Band is underlain by low-conductivity deposits of pre-Illinoian till. Even though the upper oxidized portion of the glacial till is reported to have macropores, the Pebble Band prevented deeper infiltration of storm water by maintaining a strong component of horizontal hydraulic gradient. Chemical data indicate that the Pebble Band is a hydraulic-conductivity boundary that abruptly changes the unsaturated-flow mechanism from macropore flow to matrix flow. Résumé Dans le bassin de la rivière du Cèdre, au nord-est de l'Iowa (États-Unis), la qualité de l'eau de 17 puits particuliers sur 20 montre que l'eau souterraine est contaminée par des nitrates provenant de lessivages agricoles. Dans 9 de ces puits, la concentration en nitrates dépasse la concentration maximale recommandée par l'Agence américaine de protection de l'environnement (EPA), fixée à 45umguNO3/L pour l'eau potable. Des études sur le transport de solutés ont montré que les sédiments détritiques (loamy) superficiels, les dépôts quaternaires de sables et de graviers et les dépôts morainiques constituent une formation hétérogène litée sous la surface. Le contraste de conductivité résultant constitue une barrière capillaire qui modifie les mécanismes réglant le mouvement vertical du traceur. Le traçage de l'eau d'une averse par du bromure de potassium, un engrais du maïs et de la fluorescéine indique que l'écoulement dans les macropores se produit uniquement dans les premiers 90ucm des sédiments détritiques (loamy). Une concentration moyenne de la restitution de 204umg/L de bromure à 30ucm de profondeur le troisième jour après l'averse va dans le sens de l'hypothèse d'un écoulement dans les macropores des sols superficiels. La restitution de la fluorescéine s'est produite à 30ucm de profondeur par un pic à une concentration de 650u7g/L environ 5ujours après l'averse. La couche de sédiments détritiques est recouverte par la couche de galets de l'Iowa, un niveau postglaciaire de galets mêlés à du sable. Au cours des expériences de terrain, un écoulement préférentiel des traceurs a été verticalement prédominant dans les sédiments détritiques (loamy), mais s'est rapidement changé en un écoulement matriciel horizontal en entrant dans les matériaux à plus forte conductivité hydraulique saturée dans la couche de galets de l'Iowa. Cette couche de galets est recouverte (underlain) par des dépôts à faible conductivité de la moraine pré-illinoyenne. Même si la partie supérieure oxydée de la moraine paraît posséder des macropores, la couche à galets empêche l'infiltration de l'eau de l'averse en introduisant une forte composante dans le gradient hydraulique horizontal. Les données chimiques montrent que la couche à galets se présente comme une limite de conductivité hydraulique qui change brutalement le mécanisme d'écoulement non saturé d'un écoulement en macropore en un écoulement matriciel. Resumen Se ha detectado una contaminación por lixiviados de nitrato de origen agrícola en 17 de los 20 pozos particulares muestreados en la cuenca del río Cedar, al Nordeste de Iowa (EEUU). En nueve de los pozos, el contenido en nitrato es superior a la concentración máxima admitida para agua potable (45umg/L), de acuerdo con los criterios de la Agencia Medioambiental de los Estados Unidos (USEPA). Mediante investigaciones de transporte de solutos, se ha podido caracterizar la heterogeneidad del subsuelo debido al contraste de conductividad hidráulica entre las tres capas identificadas: sedimentos margosos superficiales, depósitos Cuaternarios de arena y grava, y depósitos de till glacial. El contraste de materiales origina una barrera capilar que altera los mecanismos del desplazamiento vertical de trazador. Se ha utilizado bromuro de potasio, fertilizante de maíz y fluoresceína como trazadores del agua de tormenta. De esta forma se ha observado que el flujo a través de macroporos es significativo únicamente en la capa superior margosa de 0.9um. Prueba de ello es que se registró una concentración promedio de 204umg/L de bromuro, a una profundidad de 0.3um, tres días después del episodio de lluvia. Se midió asimismo un pico de fluoresceína de 650u7g/L, también a 0.3um, al cabo de cinco días. Bajo las margas se encuentra el nivel de cantos rodados de Iowa (Iowan Pebble Band), desarrollado en un período post-glacial, que consiste en cantos rodados mezclados con arena. Gracias a los experimentos de campo se pudo comprobar que hay un flujo vertical preferente de trazador en el estrato superior margoso, el cual se convierte de inmediato en horizontal (en la matriz) al encontrar el nivel de cantos rodados, cuya conductividad hidráulica saturada es mayor. Por debajo de los cantos hay depósitos de tillita pre-Illinoiense de baja conductividad. Aunque se han identificado macroporos en la parte superior oxidada de los depósitos glaciales, la existencia de un marcado gradiente horizontal en el nivel de cantos rodados actúa impidiendo la infiltración del agua de tormenta. Los datos químicos indican que el nivel de cantos rodados se comporta como un contorno de conductividad hidráulica que altera abruptamente el mecanismo de flujo no saturado, inicialmente a través de los macroporos del suelo, para convertirlo en flujo en medio poroso.