Characterization of Spatial Heterogeneity in Groundwater Applications

Abstract

La heterogeneidad es una característica saliente de cada formación geológica natural. En las últimas décadas un gran número de trabajos se han centrado en estudiar la influencia de la heterogeneidad en los problemas de flujo y transporte en medios poros. Dichos trabajos han mejorado sustancialmente la comprensión de los mecanismos que gobiernan estos fenómenos, sin embargo aun existen carencias en la caracterización de propiedades importantes de un acuífero. Entre ellas, el flujo preferencial, la conectividad entre dos puntos de un acuífero y la interpretación de ensayos en acuíferos heterogéneos son aspectos importantes que tienen que ser adecuadamente evaluados para obtener modelos predictivos robustos. <br/>En este contexto, el objetivo de esta tesis es doble:<br/>· mejorar el conocimiento de la influencia de la heterogeneidad en los procesos de flujo y transporte<br/>· proporcionar nuevas herramientas para caracterizar la heterogeneidad de los acuíferos<br/><br/>En primer lugar, evaluamos la relación entre dos indicadores de conectividad de flujo y transporte. El indicador de conectividad de flujo utilizado aquí se basa en el tiempo de respuesta hidráulica en un ensayo de bombeo (por ejemplo, el coeficiente de almacenamiento estimado con el método de Cooper-Jacob). Como indicador de conectividad de transporte utilizamos la porosidad estimada de curvas de llegadas (&#934;est) en ensayos de trazadores con flujo radial. Los resultados obtenidos permiten explicar la poca correlación entre estos dos indicadores ya observada númericamente por Knudby y Carrera (2005).<br/><br/>En segundo lugar, se ha desarrollado un marco geoestádistico para delinear mapas de conectividad utilizando un número limitado de medidas hidráulicas. La metodología permite condicionar los resultados a tres tipos de datos medidos a diferentes escalas: (a) tiempos de llegada de ensayos de trazadores en flujo convergente ta, (b) estimaciones del coeficiente de almacenamiento obtenidas de ensayos de bombeo interpretados con el método de Cooper-Jacob, Sest, y (c) mediciones de valores de transmisividad puntuales, T. La capacidad de la metodología para delinear correctamente zonas de captura se evalúa a través de estimaciones (krigeado simple y ordinario) y simulaciones secuenciales gausianas basadas en diferentes conjuntos de medidas.<br/><br/>En tercer lugar, se ha desarrollado una metodología, llamada método del doble punto de inflexión (DIP), para la interpretación de pruebas de bombeo en acuíferos semiconfinados. La ventaja de este método (DIP) se observa en acuíferos heterogéneos, cuando se aplica junto a las demás metodologías. En estos casos cada método proporciona información diferente acerca de la heterogeneidad. En particular, la combinación del método DIP y el método de Hantush permite identificar contrastes entre la transmisividad local (cerca del pozo) y la transmisividad equivalente del acuífero.<br/><br/>En cuarto lugar, se utiliza el método de Monte Carlo para evaluar el significado de los parámetros hidráulicos estimados de ensayos de bombeo en acuíferos semiconfinados. Dichos parámetros resultan ser espacialmente dependientes y varían en función del método de interpretación, ya que cada método pondera de forma distinta diferentes partes de la curva de descensos. Por último, se muestra que al combinar las estimaciones de los parámetros obtenidos a partir de los diferentes procedimientos de análisis, se puede inferir información sobre la heterogeneidad del sistema.<br/><br/>En quinto lugar, se modela el flujo no saturado en un dique de estériles utilizando un modelo basado en funciones de transferencia. La calibración del modelo proporciona información sobre el tiempo característico del flujo a través de la matriz y de la fracción de agua que se canaliza a través de los macroporos. Por último se presenta un análisis de la influencia de la escala en los resultados. A gran escala el comportamiento del sistema tiende al de un sistema-matriz homogéneo equivalente,enmascarando los efectos del flujo preferencial.

Heterogeneity is a salient feature of every natural geological formation. In the past decades a large body of literature has focused on the effects of heterogeneity on flow and transport problems. These works have substantially improved the understanding of flow and transport phenomena but still fail to characterize many of the important features of an aquifer. Among them, preferential flows and solute paths, connectivity between two points of an aquifer, and interpretation of hydraulic and tracer tests in heterogeneous media are crucial points that need to be properly assessed to obtain accurate model predictions. In this context, the aim of this thesis is twofold:<br/>· to improve the understanding of the effects of heterogeneity on flow and transport phenomena<br/>· to provide new tools for characterizing aquifer heterogeneity<br/><br/>First, we start by theoretically and numerically examine the relationship between two indicators of flow and transport connectivity. The flow connectivity indicator used here is based on the time elapsed for hydraulic response in a pumping test (e.g., the storage coefficient estimated by the Cooper-Jacob method, Sest). Regarding transport, we select the estimated porosity from the observed breakthrough curve (&#934; est) in a forced-gradient tracer test. Our results allow explaining the poor correlation between these two indicators, already observed numerically by Knudby and Carrera (2005).<br/><br/>Second, a geostatistical framework has been developed to delineate connectivity patterns using a limited and sparse number of measurements. The methodology allows conditioning the results to three types of data measured over different scales, namely: (a) travel times of convergent tracer tests, ta, (b) estimates of the storage coefficient from pumping tests interpreted using the Cooper-a Jacob method, S est, and (c) measurements of transmissivity point values, T. The ability of the methodology to properly delineate capture zones is assessed through estimations (i.e. ordinary cokriging) and sequential gaussian simulations based on different sets of measurements.<br/><br/><br/>Third, a novel methodology for the interpretation of pumping tests in leaky aquifer systems, referred to as the double inflection point (DIP) method, is presented. The real advantage of the DIP method comes when it is applied with all the existing methods independently to a test in a heterogeneous aquifer. In this case each method yields parameter values that are weighted differently, and thus each method provides different information about the heterogeneity distribution. In particular, the combination of the DIP method and Hantush method is shown to lead to the identification of contrasts between the local transmissivity in the vicinity of the well and the equivalent transmissivity of the perturbed aquifer volume.<br/><br/>Fourth, the meaning of the hydraulic parameters estimated from pumping test performed in leaky aquifers is assessed numerically within a Monte Carlo framework. A synthetic pumping test is interpreted using three existing methods. The resulting estimated parameters are shown to be space dependent and vary with the interpretation method, since each method gives different emphasis to different parts of the timedrawdown data. Finally, we show that by combining the parameter estimates obtained from the different analysis procedures, information about the heterogeneity of the leaky aquifer system may be inferred.<br/>Fifth, an unsaturated highly heterogeneous waste rock pile is modeled using a simple linear transfer function (TF) model. The calibration of the parametric model provides information on the characteristic time of the flow through the matrix and on the fraction of the water that, within each section, is channeled through the macropores. An analysis of the influence of the scale on the results is also provided showing that at large scales the behavior of the system tends to that of an equivalent matrix reservoir masking the effects of preferential flow.