Discriminant model and hydrogeochemical processes for characterizing preferential flow paths in four interconnected volcanic aquifers in Costa Rica

Abstract

The volcanic Barva and Colima multiaquifer system is crucial for the drinking water supply of about 1.7 million people,about 30% of the population in Costa Rica. The complexity of this system and the simultaneous occurrence of anthropogenic and natural processes complicate the understanding of hydrochemical and hydrogeological dynamics, both essential for groundwater protection. This research aimed to develop a model for the discrimination of groundwaters according to the main withdrawn aquifer and flow path, assess interaquifer connections, and evaluate the main hydrochemical processes governing water quality. Samples (571) from 38 sampling sites, collected quarterly from 2016 to 2020, were analyzed for nitrate, major ions, and silica. Principal component analysis and discriminant analysis exhibited and validated sample grouping according to the primary aquifer system captured, i.e., Upper Barva, Lower Barva, Upper Colima, and Lower Colima, and the occurrence of two flow paths within the Lower Barva and Upper Colima aquifers. Hydrochemical and statistical analyses showed resilience to seasonal chemical variation in deeper aquifers and also three groundwater mixing processes.Lower Barva groundwater enriches in bicarbonate, magnesium, calcium, sodium, and silica, mainly due to weathering of mafic andesitic-basaltic lavas. The Upper and Lower Colima showed higher silica and major ion content, except for calcium, indicating longer residence times, dissolution from felsic andesitic minerals, and calcium adsorption by normal ion exchange. Weathering of aluminosilicates is the primary process governing groundwater quality in the four studied aquifers, whereas cation exchange, interaquifer leakage, and anthropogenic processes might modify the groundwater chemistry.El sistema multiacuífero volcánico de Barva y Colima es crucial para el suministro de agua potable de alrededor de 1,7 millones de personas. alrededor del 30% de la población de Costa Rica. La complejidad de este sistema y la aparición simultánea de fenómenos antropogénicos. y los procesos naturales complican la comprensión de la dinámica hidroquímica e hidrogeológica, ambas esenciales para la protección de las aguas subterráneas. Esta investigación tuvo como objetivo desarrollar un modelo para la discriminación de aguas subterráneas según el principal acuífero extraído y la ruta de flujo, evaluar las conexiones interacuíferos y evaluar los principales procesos hidroquímicos que rigen la calidad del agua. Se analizaron muestras (571) de 38 sitios de muestreo, recolectadas trimestralmente de 2016 a 2020. nitrato, iones principales y sílice. El análisis de componentes principales y el análisis discriminante exhibieron y validaron la agrupación de muestras. de acuerdo al sistema acuífero primario capturado, es decir, Alto Barva, Bajo Barva, Alto Colima y Bajo Colima, y la ocurrencia de dos vías de flujo dentro de los acuíferos del Bajo Barva y del Alto Colima. Hidroquímica y estadística. Los análisis mostraron resiliencia a la variación química estacional en acuíferos más profundos y también a tres procesos de mezcla de aguas subterráneas. El agua subterránea del Bajo Barva se enriquece en bicarbonato, magnesio, calcio, sodio y sílice, principalmente debido a la erosión de las aguas. lavas máficas andesítico-basálticas. El Alto y Bajo Colima presentaron mayor contenido de sílice y de iones mayoritarios, excepto calcio, lo que indica tiempos de residencia más prolongados, disolución de minerales andesíticos félsicos y adsorción de calcio mediante intercambio iónico normal. La erosión de los aluminosilicatos es el proceso principal que rige la calidad del agua subterránea en los cuatro acuíferos estudiados, mientras que El intercambio catiónico, las fugas interacuíferas y los procesos antropogénicos podrían modificar la química del agua subterránea.