Multicomponent groundwater transport with chemical equilibrium and kinetics: model development and evaluation

A multicomponent reactive transport model, MIN3KIN, has been developed. MIN3KIN handles both multiple chemical equilibrium and multiple component chemical kinetic reactions. A two-dimensional transport code has been coupled with a chemical equilibrium code and a chemical kinetic subroutine. A finite element method is used to solve the transport equations. Different coupling methods between transport and equilibrium calculations are evaluated and chemical equilibrium may be solved sequentially or iteratively. MIN3KIN has been evaluated against an analytical solution and applications for different coupling schemes and temporal discretization. It is shown that the chemical kinetic flux should not exceed 10% of the mass depletion for a given time step. Systems with both chemical equilibrium and irreversible chemical kinetics reach a condition, where the concentration quotient does not correspond with the equilibrium constant. The model is finally applied to a two-dimensional case study to illustrate the presence of an intermediate aqueous state governed by transport and irreversible chemical kinetics. Transport par l'eau souterraine de composés multiples avec prise en compte des équilibres chimiques et des cinétiques: développement et évaluation du modèle Résumé Un modèle de transport de divers composés réactifs, MIN3KIN, a été développé. MIN3KIN traite à la fois un ensemble d'équilibres chimiques et de cinétiques de réaction. Un code de transport bidimensionnel a été couplé à un code d'équilibre chimique et à un code de cinétique chimique. La méthode des éléments finis a été utilisée pour résoudre les équations de transport. Différentes méthodes de couplage des calculs du transport et des équilibres ont été évaluées, et l'équilibre chimique peut être obtenu séquentiellement ou iterativement. MIN3KIN a été évalué en le comparant à une solution analytique et pour différents schémas de couplage et de discrétisation temporelle. On a pu constater que le flux de la cinétique chimique ne devrait pas excéder 10% de la réduction de masse au cours d'un pas de temps. Les systèmes avec équilibres chimiques et cinétiques chimiques irréversibles atteignent un état où le rapport des concentrations ne correspond pas à la constante d'équilibre. Nous présentons enfin une étude de cas où le modèle est employé en vue d'illustrer l'existence d'un état aqueux intermédiaire gouverné par le transport et des cinétiques chimiques irréversibles.