Uni-Bayreuth

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Numerische Inversionstechniken zur hochauflösenden Bestimmung von hydraulischen Parametern auf der Dekameterskala

Ralf Brauchler1, Rui Hu2
1 Departement Erdwissenschaften, ETH Zürich
2 Geowissenschaftliches Zentrum, Universität Göttingen

O 1.2 in Numerische Simulation von Strömungs- und Transportprozessen in Grundwasserleitern und angrenzenden Kompartimenten

30.05.2014, 11:20-11:40, H17, NW II

 

 

Eine der grossen Herausforderungen bei der Charakterisierung von Grundwasserleitern ist die räumlich hochauflösende Bestimmung von hydraulischen Parametern im Untergrund. In den letzten 20 Jahren haben verschiedene Arbeitsgruppen begonnen numerische Auswertungsansätze für die Inversion von hydraulischen Tests zu entwickeln, die unter Verwendung von tomographischen Messanordnungen aufgezeichnet wurden. Ein Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung von hydraulisch tomographischen Inversionstechniken auf Felddaten ist die Verfügbarkeit einer grossen Anzahl von hydraulischen cross-well Versuchen mit hoher Datenqualität. Die praktische Anwendung von hydraulischer Tomographie wird oft mit grossem logistischen Aufwand, langen Pumpzeiten, einer komplexen Auswertung und langen Rechenzeiten in Verbindung gebracht.

In dieser Studie zeigen wir, dass ein hydraulisch tomographischer Datensatz, bestehend aus 450 Absenkungskurven, in vier Arbeitstagen von zwei Wissenschaftlern ohne technisches Personal aufgezeichnet werden kann. Die Feldexperimente wurden am Testfeld Stegemühle, Göttingen durchgeführt. Bei diesem Testfeld handelt es sich um einen gespannten Sand- und Kiesgrundwasserleiter mit einer Mächtigkeit von 2-3 m.

Die Kurzzeitpumpversuche wurden zwischen sieben 2“ Brunnen und fünf Multikammerbrunnen, die mit Direct-Push Technologie installiert wurden, durchgeführt. Unter Verwendung eines Doppelpacker-Systems wurden in den 2“ Brunnen ein 0.25 m langer Filterstreckenabschnitt hydraulisch isoliert und ein Kurzeitpumpversuch durchgeführt. Die Druckänderung wurde sowohl im Pumpabschnitt als auch in den umgebenden Multikammerbrunnen mit einer Frequenz von 30 Hz aufgezeichnet.

Für die Auswertung der Tests wurde ein Ansatz verwendet, der auf der Transformation der Grundwasserströmungsgleichung in eine Form der Eikonalgleichung beruht (Vasco et al., 2000). Dieser Ansatz ermöglicht es Eikonalsolver, wie SIRT, ART, LSQR, die ursprünglich für die Inversion von geophysikalischen Laufzeitdaten entwickelt worden sind, zu verwenden. Diese Eikonalsolver sind extrem recheneffizient und ermöglichen es Hunderte von Absenkungskurven auf einem gewöhnlichen Feldlaptop in wenigen Minuten zu invertieren. Brauchler et al., 2011 entwickelten diesen Ansatz weiter und ermöglichten neben der Rekonstruktion der Diffusivitätsverteilung auch die Rekonstruktion der Speicherverteilung. Die Rekonstruktion basiert auf der Inversion der Dämpfung eines hydraulischen Druckpulses. Ursprünglich wurde diese Methode für die Inversion von Slugtestdaten entwickelt. Brauchler et al., 2013 modifizierten den Inversionsansatz und zeigten, dass neben Slugtest- auch Pumpversuchsdaten erfolgreich invertiert werden können.

Diese Studie verdeutlicht, dass ein hydraulisch tomographischer Datensatz schnell und effizient im Gelände aufgezeichnet und ausgewertet werden kann, was wiederum die Voraussetzung für den Einsatz von hydraulisch-tomographischen Untersuchungstechniken zur adaptiven Charakterisierung von Grundwasserleitern ist.



 

 

Vasco, D.W., Keers, H., Karasaki, K. (2000) Estimation of reservoir properties using transient pressure data: An asymptotic approach. Water Resour. Res. 36(12), 3447-3465

Brauchler, R., Hu, R., Dietrich, P., Sauter, M. (2011) A field assessment of high-resolution aquifer characterization based on hydraulic travel time and hydraulic attenuation tomography, Water Resour. Res., 47, W03503

Brauchler, R., Hu, R., Hu, L., Jimenéz, S., Bayer, P., Ptak, T. (2013) Rapid field application of hydraulic tomography for resolving aquifer heterogeneity in unconsolidated sediments, Water Resour. Res., (49), 1-12



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Letzte Änderung 26.02.2014