Aquifer parameter estimation in fractured-rock aquifers using a combination of hydraulic and tracer tests
Loading...
Files
Date
2002-08
Authors
Riemann, Kornelius
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of the Free State
Abstract
English: Water resources in South Africa are already being stressed and the country is slowly
becoming a water-scarce country. This presents a challenge to all water resource
managers to ensure that the basic water needs of every South African are met. A good
estimation of the aquifer parameters is the basis of managing groundwater resources
and understanding groundwater flow and transport processes. Because most of the
suitable groundwater resources in Southern Africa occur in fractured rock aquifers,
this thesis focuses on aquifer parameter estimation in fractured rock aquifers.
A guideline for aquifer parameter estimation in fractured rocks is derived, based on a
combination of hydraulic and tracer tests. The methods included account for the
unknown flow geometry and the resulting uncertainty by introducing the non-integer
flow dimension, which can be calculated from hydraulic and / or tracer test data. The
guideline includes:
o New methods for conducting and analysing tracer tests accounting for non-integer
flow dimension prevailing during the tests in fractured aquifers.
G A new method for estimating the kinematic porosity from single-well tracer tests.
• Description and comparison of the use of a three-dimensional numerical model for
aquifer parameter estimation .
• The software TRACER-PLAN to enable the geohydrologist to conduct effective
tracer tests. Depending on the type of test and the geological structure the test setup,
such as discharge rates, amount of tracer and duration of the test, can be
optimised.
• To simplify and unify the analysing procedure the software TRACER enables the
user to choose the correct analysing method depending on the test set-up and the
conceptual model of groundwater flow. Most of the analysing procedures
mentioned in this thesis are included.
While the approaches for estimating the hydraulic parameters from pumping test data
are commonly used methods, which are adapted to the situation in Southern Africa,
new approaches to analyse tracer test data are developed, which account in a more
general way for the unknown geometry.
A combination of hydraulic and tracer tests including analysing procedure is
proposed, which enables the hydrogeologist to estimate important hydraulic and
transport parameters from the results of one test rather than conducting different tests.
Depending on the purpose of the investigation, two types of combined tests are
developed. As minimum requirement conducting and analysing a single-well test is
suggested. If an observation borehole in the vicinity is available, a multiple-well test
should be conducted.
The proposed methods were used in case studies with different geological settings and
compared to each other. From the results of the case studies and theoretical models it
can be concluded that
G analytical methods for estimating the hydraulic properties of fractured rock
aquifers must be used with precaution, even when the correct conceptual model is
chosen,
I) for more accurate estimation numerical models, preferable a three-dimensional
numerical model, should be used,
Q the developed methods for analysing tracer test data, using the concept of
fractional flow dimension, will yield more accurate and normally higher values for
the flow velocity than the common methods, using the length of the tested section
and a flow dimension of2,
lil the developed methods for analysing tracer test data, using the concept of
fractional flow dimension, are applicable in different geological settings,
o the developed method for estimating the kinematic porosity from a single-well
tracer test is generally applicable in both the fracture zone and the matrix, but the
accuracy depends upon the correct conducting procedure,
e the validity and accuracy of the results depends mainly on the quality of the
conducting procedure and the correct conceptual model for the analysing
procedure.
The requirement for the analysing procedure can be summarised as:
• From the hydraulic test data the conceptual model should be derived, using
diagnostic plots and derivatives, as integrated in the software TRACER or in other
software programs such as FC and TPA
• The hydraulic data should be analysed applying the approach of non-integer flow
dimension, as integrated in the software TRACER.
• If necessary numerical models should be used for complete parameter estimation.
lil The tracer test data should be analysed, applying the approach of non-integer flow
dimension, as integrated in the software TRACER.
The effect of matrix diffusion on solute transport in fractured aquifers is immanent,
but no existing method is able to simulate it properly. Further research in estimating
the impact of matrix diffusion on the plume movement and in developing a suitable
method to simulate and quantify its effect is therefore strongly recommended.
Afrikaans: Waterbronne in Suid Afrika is onder redelike groot druk, omdat Suid Afrika stadig maar seker 'n waterskaars land raak. Dit bied dus 'n uitdaging aan alle waterbronbestuurders om te verseker dat daar aan die basiese waternood in Suid Afrika voldoen word. 'n Goeie bepaling van die akwifeerparameters vorm die basis van bestuur van 'n grondwaterbron, asook die verstaan van grondwatervloei en vervoerprosesse. Omdat meeste van die bruikbare grondwaterbronne in Suid Afrika in fraktuur akwifere voorkom, fokus die tesis op akwifeerparameter bepaling in 'n fraktuur akwifeer. Die afleiding van riglyne vir akwifeerparameter bepaling in fraktuur akwifere is gebasseer op 'n kombinasie van hidrouliese en spoorder toetse. Die metodes ingesluit in die tesis dien as beskrywing vir die onbekende vloeigeometrie asook die gevolglike onsekerheid, deur die bekendstelling van die fraksionele vloeidimensie wat bereken kan word vanaf die hidrouliese en/of spoorder toets data. Riglyne sluit in: e Nuwe metodes vir uitvoering en analisering van spoorder toetse om fraksionele vloeidimensie te bepaal, is verkry deur toetse op die fraktuur akwifeer. • 'n Nuwe metode vir die bepaling van die kinetiese porositeit vir 'n enkel boorgat spoorder toets. e Beskrywing en vergelyking van die gebruik van 'n drie-dimensionele numeriese model vir akwifeerparameter bepaling. e Die sagteware TRACER-PLAN, wat die geohidroloog in staat stelom effektiewe spoorder toetse uit te voer. Afhangende van die tipe toetse wat gedoen word en die geologiese struktuur kan die toetsopset, soos byvoorbeeld onttrekkings tempos, die hoeveelheid tracer en die duurte van die toets, geoptimeer word. al Om die analiseringsprosedure te vereenvoudig en te unifiseer kan die sagteware TRACER die gebruiker instaat stelom die regte analiseringsmetodes te kies, afhangende van die toetsopstelling en die konsepsieële model van die grondwater vloei. Meeste van die analiseringsprosedure wat in die tesis genoem word, is ingesluit. Terwyl die aanvoering vir die bepaling van die hidroliese parameters vir die pomptoets data eenvoudige metodes is, wat geskik is vir situasies in Suider Afrika, word nuwe maniere ontwikkelom spoorder toetse te analiseer, wat meer algemeen die onbekende geometrie bepaaL 'n Kombinasie van hidroliese en spoorder toetse, insluitend analiseringsprosedure, word voorgestel, wat die geohidroloog instaat stelom die belangrike hidrouliese en transport parameters vanaf die resultate van een toets te verkry eerder as om verskillende toetse uit te voer. Afhangende van die doel van die ondersoek, is twee tipes gekombineerde toetse ontwikkeL As 'n minimum vereiste, word uitvoering en analisering van 'n enkel boorgat toets voorgesteL As 'n observasie boorgat in die omgewing beskikbaar is, moet 'n veelvoudige boorgat toets op die boorgat uitgevoer word. Die voorgestelde metodes is gebruik in veldondersoeke met verskillende geologiese omgewings en word ook vergelyk met mekaar. Vanaf die resultate van die veldondersoeke en die teoretiese modelle, kan die volgende gevolgtrekkings gemaak word. ct Analitiese metodes vir die bepaling van hidrouliese eienskappe van die fraktuur akwifeer moet gebruik word met voorsorg, selfs al word die regte konsepsieële model gebruik. • Baie meer akkurate numeriese berekeningsmodelle, by voorkeur 'n driedimensionele numeriese model, moet gebruik word. • Die ontwikkelde metodes vir die analisering van spoorder toets data, deur gebruik te maak van die konsep van fraksionele vloeidimensies, sal meer akkurate en normaalweg hoër waardes gee vir die vloeisnelheid as met die gewone metodes, deur gebruik te maak van die getoetste seksie en 'n vloeidimensie van 2. • Die ontwikkelde metodes vir analisering van spoorder data, deur gebruik te maak van fraksionele vloeidimensies, is toepaslik in verskillende geologiese omgewings. • The ontwikkelde metode vir die bepaling van kinetiese porositeit vir 'n enkel boorgat tracer toets is algemeen toepaslik in beide die fraktuur sone en die matriks, maar die akkuraatheid hang afvan die korrekte prosedure. • Die geldigheid en akkuraatheid van die toetse hang hoofsaaklik af van die gehalte van die prosedure en die korrekte konsepsieële model VIT die analiseringsprosedure . Die vereistes vir die analiseringsprosedure kan soos volg opgesom word: • Vanaf die hidroliese toets data kan die konsepsieële model afgelei word, deur gebruik te maak van die diagnostiese grafiek en afgeleides, soos geintegreer in die sagteware TRACER of in ander sagteware programme, soos byvoorbeeld, FC en TPA. • Die hidroliese data moet geanaliseer word deur gebruik te maak van die benadering van nie-integrale getalvloei, soos geintegreer in die sagteware TRACER. • lndien nodig, moet numeriese modelle gebruik word vir volledige parameter berekening. • Die spoorder toets data moet geanaliseer word, deur gebruik te maak van die benadering van fraksionele vloeidimensie, soos geintegreer in die sagteware TRACER. Die effek van matriks diffusie op oplosbare vervoering in gefraktueerde akwifere is inwonend (innerlik), maar geen bestaande metode is daartoe instaat om dit behoorlik te simuleer nie. Verdere navorsing in die bepaling van die impak van matriks diffusie op die pluim in beweging en ontwikkeling, asook 'n geskikte metode vir die simulering en kwantifisering van die effek word ten sterkste aanbeveel.
Afrikaans: Waterbronne in Suid Afrika is onder redelike groot druk, omdat Suid Afrika stadig maar seker 'n waterskaars land raak. Dit bied dus 'n uitdaging aan alle waterbronbestuurders om te verseker dat daar aan die basiese waternood in Suid Afrika voldoen word. 'n Goeie bepaling van die akwifeerparameters vorm die basis van bestuur van 'n grondwaterbron, asook die verstaan van grondwatervloei en vervoerprosesse. Omdat meeste van die bruikbare grondwaterbronne in Suid Afrika in fraktuur akwifere voorkom, fokus die tesis op akwifeerparameter bepaling in 'n fraktuur akwifeer. Die afleiding van riglyne vir akwifeerparameter bepaling in fraktuur akwifere is gebasseer op 'n kombinasie van hidrouliese en spoorder toetse. Die metodes ingesluit in die tesis dien as beskrywing vir die onbekende vloeigeometrie asook die gevolglike onsekerheid, deur die bekendstelling van die fraksionele vloeidimensie wat bereken kan word vanaf die hidrouliese en/of spoorder toets data. Riglyne sluit in: e Nuwe metodes vir uitvoering en analisering van spoorder toetse om fraksionele vloeidimensie te bepaal, is verkry deur toetse op die fraktuur akwifeer. • 'n Nuwe metode vir die bepaling van die kinetiese porositeit vir 'n enkel boorgat spoorder toets. e Beskrywing en vergelyking van die gebruik van 'n drie-dimensionele numeriese model vir akwifeerparameter bepaling. e Die sagteware TRACER-PLAN, wat die geohidroloog in staat stelom effektiewe spoorder toetse uit te voer. Afhangende van die tipe toetse wat gedoen word en die geologiese struktuur kan die toetsopset, soos byvoorbeeld onttrekkings tempos, die hoeveelheid tracer en die duurte van die toets, geoptimeer word. al Om die analiseringsprosedure te vereenvoudig en te unifiseer kan die sagteware TRACER die gebruiker instaat stelom die regte analiseringsmetodes te kies, afhangende van die toetsopstelling en die konsepsieële model van die grondwater vloei. Meeste van die analiseringsprosedure wat in die tesis genoem word, is ingesluit. Terwyl die aanvoering vir die bepaling van die hidroliese parameters vir die pomptoets data eenvoudige metodes is, wat geskik is vir situasies in Suider Afrika, word nuwe maniere ontwikkelom spoorder toetse te analiseer, wat meer algemeen die onbekende geometrie bepaaL 'n Kombinasie van hidroliese en spoorder toetse, insluitend analiseringsprosedure, word voorgestel, wat die geohidroloog instaat stelom die belangrike hidrouliese en transport parameters vanaf die resultate van een toets te verkry eerder as om verskillende toetse uit te voer. Afhangende van die doel van die ondersoek, is twee tipes gekombineerde toetse ontwikkeL As 'n minimum vereiste, word uitvoering en analisering van 'n enkel boorgat toets voorgesteL As 'n observasie boorgat in die omgewing beskikbaar is, moet 'n veelvoudige boorgat toets op die boorgat uitgevoer word. Die voorgestelde metodes is gebruik in veldondersoeke met verskillende geologiese omgewings en word ook vergelyk met mekaar. Vanaf die resultate van die veldondersoeke en die teoretiese modelle, kan die volgende gevolgtrekkings gemaak word. ct Analitiese metodes vir die bepaling van hidrouliese eienskappe van die fraktuur akwifeer moet gebruik word met voorsorg, selfs al word die regte konsepsieële model gebruik. • Baie meer akkurate numeriese berekeningsmodelle, by voorkeur 'n driedimensionele numeriese model, moet gebruik word. • Die ontwikkelde metodes vir die analisering van spoorder toets data, deur gebruik te maak van die konsep van fraksionele vloeidimensies, sal meer akkurate en normaalweg hoër waardes gee vir die vloeisnelheid as met die gewone metodes, deur gebruik te maak van die getoetste seksie en 'n vloeidimensie van 2. • Die ontwikkelde metodes vir analisering van spoorder data, deur gebruik te maak van fraksionele vloeidimensies, is toepaslik in verskillende geologiese omgewings. • The ontwikkelde metode vir die bepaling van kinetiese porositeit vir 'n enkel boorgat tracer toets is algemeen toepaslik in beide die fraktuur sone en die matriks, maar die akkuraatheid hang afvan die korrekte prosedure. • Die geldigheid en akkuraatheid van die toetse hang hoofsaaklik af van die gehalte van die prosedure en die korrekte konsepsieële model VIT die analiseringsprosedure . Die vereistes vir die analiseringsprosedure kan soos volg opgesom word: • Vanaf die hidroliese toets data kan die konsepsieële model afgelei word, deur gebruik te maak van die diagnostiese grafiek en afgeleides, soos geintegreer in die sagteware TRACER of in ander sagteware programme, soos byvoorbeeld, FC en TPA. • Die hidroliese data moet geanaliseer word deur gebruik te maak van die benadering van nie-integrale getalvloei, soos geintegreer in die sagteware TRACER. • lndien nodig, moet numeriese modelle gebruik word vir volledige parameter berekening. • Die spoorder toets data moet geanaliseer word, deur gebruik te maak van die benadering van fraksionele vloeidimensie, soos geintegreer in die sagteware TRACER. Die effek van matriks diffusie op oplosbare vervoering in gefraktueerde akwifere is inwonend (innerlik), maar geen bestaande metode is daartoe instaat om dit behoorlik te simuleer nie. Verdere navorsing in die bepaling van die impak van matriks diffusie op die pluim in beweging en ontwikkeling, asook 'n geskikte metode vir die simulering en kwantifisering van die effek word ten sterkste aanbeveel.
Description
Keywords
Groundwater tracers -- South Africa -- Bloemfontein, Groundwater flow -- South Africa -- Bloemfontein, Aquifers -- South Africa -- Bloemfontein, Thesis (Ph.D. (Geohydrology))--University of the Free State, 2002