Potential groundwater contamination from surface spills of fluids associated with hydraulic fracturing operations: The role of climate change on solute transport in the unsaturated zone

Drilling wells is a stage of field development which results in a large amount of generated waste. In addition to waste, drilling carries an increased risk of accidents causing further environmental pollution. The treatment of industrial waters together with the discharge of drilling fluid, diluted to a certain concentration, but containing hydrocarbons and harmful chemicals which contributes to the pollution of local soils and groundwater. The process of shale gas production is accompanied by several environmental impacts resulting from the ‘hydraulic fracturing’ such as pollution of groundwater, and high emissions of toxic gases such as carbon dioxide, methane, and other gases, all of which contribute significantly to global warming and environmental pollution. Hydraulic fracturing drilling technology can cause a high risk of surface spill accidents and thus water contamination. Climate change together with the high-water demand and rapid increase in industrial and agricultural activities are valuable reasons why we should all care about the availability of water resources and protect them from contamination. In shale gas-producing countries, soil, and groundwater contamination due to surface spills associated with hydraulic fracturing operations is one of the most worrying problems that arise, since its elimination is not easy or cheap to carry out, and its effects persist for many years. Contaminated groundwater is a priority issue on the environmental agendas of developed countries, therefore, there is an obvious need to develop instruments and decision-making mechanisms that allow the estimation of the hazard to human health due to the presence of contaminants in soils and groundwater, in a fast and reliable manner. This research presents a study concerned with the risk assessment framework to analyze and evaluate the effects on groundwater sources from surface spills of hydraulic fracturing flow-back fluids. Thus, this study aims to assess whether the spilling of hydraulic fracturing fluids before injection has a potential risk to groundwater quality by identifying the hydrological factors and solute transport characteristics that control these risks while taking into consideration the temperature rises due to climate change. The approach uses the concept of the groundwater pollution hazard based on comparing the concentration of pollutants within the water table by using a predetermined permissible level. In this study, the potential maximum pollutants concentrations due to a supposed hydraulic fracturing liquid spill and its impact on the Kern County sub-basin, California, U.S.A., has been studied and analyzed. The current average annual temperature and that by the end of the 21st century were used to estimate the diffusion of benzene through three types of soil by using HYDRUS-1D software. The software was used to predict the contaminant concentration profile of benzene in the water table with special reference to the impact of surface temperatures. The study also analyzed the most dangerous chemicals found in fracturing fluid as a study needed to evaluate potential threats to human health from chemicals found in the indicated fluid based on many reports and studies of the relevant organizations, most importantly the World Health Organization. The results showed that an expected rise of the surface temperature by 4 °C led to an increase in the concentration of benzene in the groundwater by 0.00046 mg/l across Sandy Loam soil, 0.00023 mg/l across Silt Loam soil, and finally, 0.017 mg/l across Loam soil. Climate change may affect the ability to absorb benzene and may reduce from 0.1% to 0.05% in Loam Soil, 0.13% to 0.06% in Sandy Clay Loam soil, and 0.58% to 0.52 % in Silt Loam soil. The results showed that the soil properties and solute characteristics that depend on the temperature have a major and important role in determining the level of groundwater pollutants. The results showed that the maximum concentration of benzene in shallow groundwater aquifers in all cases, exceeded the predetermined permissible level; demonstrating that any impact would take more than 200 days to be considerable. Groundwater aquifers that are only 100 cm away from the spill source are more threatened by contamination. As the depth of the groundwater increases, it is safe from surface sources pollutants. Construction of the well pad can substantially reduce the organic carbon in the soils, therefore, reducing its role in controlling the movement of pollutants. RESUMEN La perforación de pozos es una de las etapas del desarrollo del campo por lo que se genera una gran cantidad de residuos. Además de los residuos, la perforación conlleva un mayor riesgo de accidentes con mayor contaminación ambiental. El tratamiento de aguas industriales junto con la descarga de fluido de perforación diluido a una determinada concentración y que contiene hidrocarburos y productos químicos nocivos contribuye a la contaminación de los suelos locales y las aguas subterráneas. El proceso de producción de gas de esquisto está acompañado de varios impactos ambientales derivados de la "fracturación hidráulica", como la contaminación de las aguas subterráneas y las altas emisiones de gases tóxicos como el dióxido de carbono, el metano y otros gases, todos los cuales contribuyen significativamente al calentamiento global. y contaminación ambiental. La tecnología de perforación con fracturación hidráulica puede causar un alto riesgo de accidentes por derrames en la superficie y, por lo tanto, contaminación del agua. El cambio climático, junto con la gran demanda de agua y el rápido aumento de las actividades industriales y agrícolas, son razones valiosas por las que todos debemos preocuparnos por la disponibilidad de los recursos hídricos y protegerlos de la contaminación. En los países productores de gas de esquisto, la contaminación de suelos y aguas subterráneas por derrames superficiales asociados a operaciones de fracturación hidráulica es uno de los problemas más preocupantes que se presentan, ya que su eliminación no es fácil ni económica de realizar, y sus efectos persisten durante muchos años. El agua subterránea contaminada es un tema prioritario en las agendas ambientales de los países desarrollados. Por lo tanto, es evidente la necesidad de desarrollar instrumentos y mecanismos de toma de decisiones que permitan estimar el peligro para la salud humana por la presencia de contaminantes en suelos y aguas subterráneas, de manera rápida y confiable. Esta investigación presenta un estudio relacionado con el marco de evaluación de riesgos para analizar y evaluar los efectos en las fuentes de agua subterránea de los derrames superficiales de fluidos de fracturación hidráulica. Por lo tanto, este estudio tiene como objetivo evaluar si el derrame de fluidos de fracturación hidráulica antes de la inyección tiene un riesgo potencial para la calidad del agua subterránea mediante la identificación de los factores hidrológicos y las características del transporte de solutos que controlan estos riesgos teniendo en cuenta los aumentos de temperatura debido al cambio climático. El enfoque utiliza el concepto del peligro de contaminación del agua subterránea basado en la comparación de la concentración de contaminantes dentro del nivel freático mediante el uso de un nivel permisible predeterminado. En este estudio se han estudiado y analizado las concentraciones máximas potenciales de contaminantes debido a un supuesto derrame de líquido de fracturación hidráulica y su impacto en la subcuenca del condado de Kern / California / Estados Unidos. La temperatura media anual actual y la de finales del siglo XXI se utilizó para estimar la difusión de benceno a través de tres tipos de suelo utilizando el software HYDRUS-1D. El software se utilizó para predecir el perfil de concentración de contaminantes de benceno en el nivel freático con especial referencia al impacto de las temperaturas superficiales. El estudio también analizó las sustancias químicas más peligrosas que se encuentran en el fluido de fracturación hidráulica como un estudio necesario para evaluar las amenazas potenciales para la salud humana de las sustancias químicas que se encuentran en el fluido indicado en base a muchos informes y estudios de las organizaciones relevantes, sobre todo la Organización Mundial de la Salud. Los resultados mostraron que un aumento esperado de la temperatura de la superficie en 4 °C condujo a un aumento en la concentración de benceno en el agua subterránea de 0,00046 mg/l en suelo franco arenoso, 0,00023 mg/l en suelo franco limoso y, finalmente, 0,017 mg/l. mg/l en suelo franco. El cambio climático puede afectar la capacidad de absorber benceno y puede reducirse del 0,1 % al 0,05 % en suelo franco, del 0,13 % al 0,06 % en suelo franco arcilloso arenoso y del 0,58 % al 0,52 % en suelo franco limoso. Los resultados mostraron que las propiedades del suelo y las características de los solutos que dependen de la temperatura tienen un papel principal e importante en la determinación del nivel de contaminantes del agua subterránea. Los resultados mostraron que el impacto del benceno en los acuíferos subterráneos poco profundos es leve; demostrando que cualquier impacto tardaría más de 200 días en ser considerable. Los acuíferos subterráneos que se encuentran a solo 100 cm de la fuente del derrame están más amenazados por la contaminación. A medida que aumenta la profundidad del agua subterránea, está a salvo de los contaminantes de fuentes superficiales. La construcción de la plataforma del pozo puede reducir sustancialmente el carbono orgánico en los suelos y, por lo tanto, reducir su papel en el control del movimiento de contaminantes