Revealing vertical aquifer heterogeneity and hydraulic anisotropy by pumping partially penetrating wells

Abstract

The stratification of sedimentary aquifers introduces spatial variability in hydraulic conductivity, primarily between individual horizontal layers. On larger scales, the vertical heterogeneity enhances hydraulic anisotropy, with the horizontal conductivity typically exceeding the vertical one. In this study, the hydraulic anisotropy of a stratified aquifer is estimated from data of hydraulic tests in which water is sequentially extracted from well sections screened at different depths, and the hydraulic response is measured at various multilevel observation wells. The applicability of the method is demonstrated by field tests in a fluvial gravel aquifer in the Upper Rhine Valley, Germany. A homogeneous anisotropic model, and models with three and five anisotropic layers, are fitted to the measured drawdowns in the steady-shape regime, in which differences in hydraulic head between observation locations do not change over time even though the head values themselves change. The position of the five horizontal layers is based on the lithology of the drilling profile at the pumping-well location. The three-layer model is achieved by merging insensitive or similar layers with sensitive layers. The fits result in estimates of the radial and vertical hydraulic conductivities for all layers of the respective models, which are upscaled to effective parameters over the entire depth in the case of the multilayer models. The homogeneous model shows significantly higher errors than those of the heterogeneous models. The heterogeneous locally anisotropic models not only reveal vertical variability of hydraulic conductivity, but also lead to a three-times larger anisotropy ratio upon upscaling.

Tiefenorientierte Pumpversuche zur Bestimmung der hydraulischen Anisotropie in einem geschichteten Grundwasserleiter

“…Um Absenkungen ssim im quasi-stationären Strömungsregime zu erhalten, müssen Absenkungsdifferenzen zwischen Beobachtungspunkten ermittelt werden, wofür ein Referenzpunkt festzulegen ist. Um jedoch die Fehlerfortpflanzung von Messungenauigkeiten zu vermeiden, ermitteln wir die Differenzen ssim = | stsref | zwischen den stationären Absenkungen st und der Absenkung sref an einem virtuellen Referenzpunkt (Maier et al 2022a).…”

“…Als Zielwertfunktion φ minimieren wir die Summe der quadrierten normierten Residuen: Wir kalibrieren das 1-Schicht-Modell und das 3-Schicht-Modell unter Verwendung der Erwartungs-Maximierungs-Methode (Dempster et al 1977). Dafür kalibrieren wir jeweils das 1-Schicht-und 3-Schicht-Modell und aktualisie-ren iterativ das Fehlermodell entsprechend der Residuen der simulierten und gemessenen Absenkungen (Maier et al 2022a). Als Kriterium für die Akzeptanz der Modellkalibrierungen betrachten wir Änderungen in den Modell-und Fehlerparametern, die kleiner als 1 % sind.…”

“…Um solche Kosten zu vermeiden, werden Methoden benötigt, mit denen bereits in der Planungsphase von Großprojekten die vertikale Heterogenität und Anisotropie der Durchlässigkeit in natürlichen Grundwasserleitern bestimmt werden kann. Maier et al (2022a) empfehlen hierzu Pumpversuche unter Verwendung teilverfilterter Brunnen, um dominante hydraulische horizontale Strukturen und die großräumige An-isotropie von Porengrundwasserleitern zu bestimmen. Dabei wird Grundwasser aus verschiedenen Tiefen des Grundwasserleiters entnommen, und die dadurch resultierende Absenkung wird in unterschiedlichen Abständen zum Brunnen und in unterschiedlichen Tiefen gemessen.…”

“…Dabei wird Grundwasser aus verschiedenen Tiefen des Grundwasserleiters entnommen, und die dadurch resultierende Absenkung wird in unterschiedlichen Abständen zum Brunnen und in unterschiedlichen Tiefen gemessen. Die Ermittlung der Anisotropie kann dann durch eine kombinierte, d. h. tomographische Auswertung der Pumpversuche mittels numerischer Modellanpassung (numerische Inversion) erfolgen, wie in Maier et al (2022a) im Detail beschrieben wird.…”

“…Ziel der vorliegenden Studie ist es daher zu untersuchen, ob für eine zuverlässige Ermittlung der hydraulischen Anisotropie in geschichteten Grundwasserleitern die Grundwasserentnahme aus mehreren Tiefen wirklich erforderlich ist, oder ob bereits die Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen mit einer Grundwasserentnahme aus nur einer Tiefe zu einem repräsentativen Ergebnis führt. Dafür vergleichen wir die numerische Inversion von Pumpversuchen nach dem tomographischen Ansatz (Maier et al 2022a)…”