Groundwater flow modeling using iMOD for Barva and Colima aquifers in the Central Valley of Costa Rica: validation of a conceptual model using tracer data

Abstract

A stationary numerical model of groundwater flow was developed using iMOD to better understand the recharge processes within Barva and Colima aquifers (BCS), located in the northwestern region of the Central Valley of Costa Rica. Lithological information was used to develop a conceptual model representing the complexity of the system, defined as high transmissivities, low storage capacity, and steep hydraulic gradients. Due to the lack of more detailed lithological and hydrometric data to perform robust calibrations, the system was studied by analyzing water flux dynamics using the iMOD particle tracer and water balance tools. The validation process was done by comparing the results of each simulation with the potential recharge elevation (PRE) derived from the ages of existing noble gases (tritium/helium) at different wells and springs in the system. Tracer estimations indicate a groundwater age (GWA) ranging from 2.3 to 71 years. Based on the tracer information, two hypotheses of PRE were evaluated. The first scenario (H01), with a PRE between 1,500 to 2,500 m a.s.l., and a second one (H02), with a PRE between 1,300 to 1,500 m a.s.l. Results from H01 were the most reliable: 77% of the particles dropped in the PRE were captured by the Lower Colima aquifer, with a GWA ranging from 1 to 45 years. Although the results reflect the dynamic-complex fluxes, more information is needed to understand the influence of surface water and recharge rates on groundwater levels in order to improve and calibrate the model as a reliable water management tool.

Se desarrolló un modelo numérico estacionario de agua subterránea utilizando iMOD, para comprender la recarga del acuífero Barva y Colima (BCS), ubicados en el noroeste del Valle Central de Costa Rica. Con base en litología, se desarrolló un modelo conceptual que representa la complejidad del sistema, altas transmisividades, baja capacidad de almacenamiento y gradientes hidráulicos abruptos. A falta de datos litológicos e hidrométricos para una adecuada calibración, el sistema se estudió analizando la dinámica del flujo de agua, mediante el uso del trazador de partículas y balance hídrico de iMOD. La validación se realizó comparando los resultados con la elevación de recarga potencial (PRE) derivada de las edades de gases nobles existentes (tritio/helio) en diferentes pozos y manantiales del sistema. Los trazadores indican una edad del agua subterránea (GWA) que varía de 2.3 a 71 años. Basado en los trazadores, se evaluaron dos hipótesis de PRE. El primer escenario (H01), con un PRE entre 1,500 a 2,500 m.s.n.m y el segundo (H02), con un PRE entre 1,300 a 1,500 m.s.n.m. Hidrogeología Regional Volumen I 72 H01, género resultados más confiables: 77% de las partículas depositadas en el PRE fueron capturadas por el acuífero Colima Inferior, con un GWA que varía de 1 a 45 años. Aunque los resultados reflejan la compleja dinámica del flujo de agua, se requiere más información para comprender la influencia de las aguas superficiales y las tasas de recarga en los niveles de agua subterránea, con el fin de mejorar y calibrar el modelo para ser una herramienta confiable de gestión.