Akvifertest

Inom hydrogeologi utförs ett akvifertest (eller ett pumpningstest ) för att utvärdera en akvifer genom att "stimulera" akvifären genom konstant pumpning och observera akvifärens "svar" ( neddragning ) i observationsbrunnar . Akvifertestning är ett vanligt verktyg som hydrogeologer använder för att karakterisera ett system av akviferer, aquitards och flödessystemgränser.

Ett slugtest är en variant av det typiska akvifertestet där en momentan förändring (ökning eller minskning) görs och effekterna observeras i samma brunn. Detta används ofta i geotekniska inställningar för att få en snabb uppskattning (minuter istället för dagar) av akvifärens egenskaper omedelbart runt brunnen.

Akvifertester tolkas vanligtvis genom att använda en analytisk modell av akvifärflödet (den mest grundläggande är Theis-lösningen) för att matcha data som observeras i den verkliga världen, och sedan anta att parametrarna från den idealiserade modellen gäller den verkliga akvifären. I mer komplexa fall kan en numerisk modell användas för att analysera resultaten av ett akvifertest.

Akvifertestning skiljer sig från brunntestning genom att brunnens beteende i första hand är ett problem i den senare, medan akvifärens egenskaper kvantifieras i den förra. Akvifertestning använder också ofta en eller flera övervakningsbrunnar, eller piezometrar ("punkt" observationsbrunnar). En övervakningsbrunn är helt enkelt en brunn som inte pumpas (men används för att övervaka hydraultrycket i akvifären). Vanligtvis screenas övervaknings- och pumpbrunnar över samma akviferer.

Generella egenskaper

Vanligtvis utförs ett akvifertest genom att pumpa vatten från en brunn med jämn hastighet och under minst en dag, samtidigt som man noggrant mäter vattennivåerna i övervakningsbrunnarna. När vatten pumpas från pumpbrunnen minskar trycket i akvifären som matar brunnen. Denna tryckminskning kommer att visa sig som neddragning (förändring av hydraultryck) i en observationsbrunn. Drawdown minskar med radiellt avstånd från pumpbrunnen och neddragning ökar med den tid som pumpningen pågår.

De akviferegenskaper som utvärderas av de flesta akvifertester är:

• Hydraulisk konduktivitet Hastigheten för vattenflödet genom en enhetstvärsnittsarea av en akvifer, vid en enhetshydraulisk gradient. I amerikanska enheter är flödeshastigheten i gallon per dag per kvadratfot tvärsnittsarea; i SI-enheter anges hydraulisk konduktivitet vanligtvis i m ³ per dag per m ² . Enheter förkortas ofta till meter per dag eller motsvarande.
• Specifik lagring eller lagringsförmåga: ett mått på mängden vatten som en instängd akvifer kommer att ge upp för en viss förändring i fallhöjd;
• Transmissivitet Den hastighet med vilken vatten överförs genom hela tjockleken och enhetsbredden av en akvifer under en enhets hydraulisk gradient. Den är lika med den hydrauliska konduktiviteten gånger tjockleken på en akvifer;

Ytterligare akviferegenskaper som ibland utvärderas, beroende på typen av akvifer, inkluderar:

• Specifik avkastning eller dränerbar porositet: ett mått på mängden vatten som en oavsluten akvifer kommer att ge upp när den är helt dränerad;
• Läckagekoefficient: vissa akviferer begränsas av akvifärer som långsamt avger vatten till akvifären, vilket ger ytterligare vatten för att minska nedsänkningen;
• Förekomsten av akvifergränser (påfyllning eller inget flöde) och deras avstånd från den pumpade brunnen och piezometrar.

Analysmetoder

En lämplig modell eller lösning på grundvattenflödesekvationen måste väljas för att passa de observerade data. Det finns många olika val av modeller, beroende på vilka faktorer som anses viktiga inklusive:

• läckande aquitards,
• obegränsat flöde (fördröjt utbyte),
• partiell penetration av pump- och övervakningsbrunnarna,
• ändlig borrhålsradie — vilket kan leda till lagring av borrhål,
• dubbel porositet (vanligtvis i sprucket berg),
• anisotropa akviferer,
• heterogena akvifärer,
• ändliga akviferer (effekterna av fysiska gränser ses i testet), och
• kombinationer av ovanstående situationer.

Nästan alla akvifertestlösningsmetoder är baserade på Theis-lösningen; den bygger på de mest förenklade antagandena. Andra metoder slappnar av ett eller flera av de antaganden som Theis-lösningen bygger på, och därför får de ett mer flexibelt (och mer komplext) resultat.

Transient Theis lösning

Tvärsnittsdiagram av transient Den här lösningen för radiellt avstånd vs neddragning över tid

Theis-ekvationen skapades av Charles Vernon Theis (arbetar för US Geological Survey ) 1935, från värmeöverföringslitteratur (med matematisk hjälp av CI Lubin), för tvådimensionellt radiellt flöde till en punktsänka i en oändlig, homogen akvifär . Det är helt enkelt

${\begin{aligned}s&={\frac {Q}{4\pi T}}W(u)\\[0.5 em]u&={\frac {r^{2}S}{4Tt}}\end{aligned}}$

där s är neddragningen (ändring av hydraultrycket vid en punkt sedan början av testet i avståndsenheter), u är en dimensionslös parameter, Q är brunnens utloppshastighet (pumpningshastigheten (volym per tidsenhet), T och S är akvifärens transmissivitet och lagringsförmåga runt brunnen (avstånd i kvadrat per tidsenhet respektive dimensionslös), r är avståndet från pumpbrunnen till den punkt där neddragningen observerades, t är tiden sedan pumpningen började, och W(u) är "brunnsfunktionen" (kallas den ofullständiga gammafunktionen , $\Gamma (0,u)$ , i icke-hydrogeologisk litteratur). Brunnsfunktionen ges av den oändliga serien

${\begin{aligned}W(u)=\Gamma (0,u)=-\gamma -\ln(u)+u-{\frac {u^{2}}{2\ gånger 2!}}+{\frac {u^{3}}{3\times 3!}}-{\frac {u^{4}}{4\times 4!}}+\cdots \end{aligned} }$

där y är Eulerkonstanten (=0,577216...). Vanligtvis används denna ekvation för att hitta de genomsnittliga T- och S -värdena nära en pumpbrunn , från neddragningsdata som samlats in under ett akvifertest. Detta är en enkel form av omvänd modellering, eftersom resultatet/resultaten mäts i brunnen, r , t och Q observeras, och värden på T och S som bäst reproducerar de uppmätta data läggs in i ekvationen tills ett bästa passform mellan de observerade data och analyslösningen hittas.

Theis-lösningen är baserad på följande antaganden:

• Flödet i akvifären beskrivs tillräckligt av Darcys lag (dvs. Re<10).
• homogen, isotrop, begränsad akvifer ,
• brunnen är helt penetrerande (öppen för hela tjockleken ( b ) av akvifären),
• brunnen har noll radie (den är ungefärlig som en vertikal linje) - därför kan inget vatten lagras i brunnen,
• brunnen har en konstant pumphastighet Q,
• huvudförlusten över brunnsskärmen är försumbar,
• akvifären är oändlig i radiell utsträckning,
• horisontella (ej sluttande), plana, ogenomträngliga (icke-läckande) övre och nedre gränser för akvifären,
• grundvattenflödet är horisontellt
• inga andra brunnar eller långsiktiga förändringar i regionala vattennivåer (alla förändringar i potentiometrisk yta är resultatet av enbart pumpbrunnen)

Även om dessa antaganden sällan alla uppfylls, beroende på i vilken grad de överträds (t.ex. om gränserna för akvifären ligger långt bortom den del av akvifären som kommer att testas av pumptestet) kan lösningen fortfarande vara användbar .

Steady-state Thiem-lösning

Radiellt flöde i stabilt tillstånd till en pumpbrunn kallas vanligtvis Thiem-lösningen, det kommer från tillämpningen av Darcys lag till cylindriska skalkontrollvolymer (dvs en cylinder med en större radie som har en cylinder med mindre radie utskuren) ca. pumpbrunnen; det skrivs vanligtvis som:

$h_{0}-h={\frac {Q}{2\pi T}}\ln \left({\frac {R}{r }}\höger)$

I detta uttryck är h ₀ bakgrundens hydrauliska tryckhöjd , h ₀ - h är neddragningen på det radiella avståndet r från pumpbrunnen, Q är utloppshastigheten för pumpbrunnen (vid utgångspunkten), T är transmissiviteten och R är påverkansradie, eller det avstånd på vilket huvudet fortfarande är h ₀ . Dessa förhållanden (steady-state flöde till en pumpbrunn utan närliggande gränser) förekommer aldrig i naturen, men det kan ofta användas som en approximation till faktiska förhållanden; lösningen härleds genom att anta att det finns en cirkulär konstant höjdgräns (t.ex. en sjö eller flod i full kontakt med akvifären) som omger pumpbrunnen på ett avstånd R .

Felkällor

Av avgörande betydelse i både akvifer- och brunntestning är korrekt registrering av data. Inte bara måste vattennivåer och tidpunkten för mätningen noggrant registreras, utan pumphastigheterna måste regelbundet kontrolleras och registreras. En oregistrerad förändring i pumphastighet på så lite som 2 % kan vara missvisande när data analyseras.

Vidare läsning

US Geological Survey har några mycket användbara kostnadsfria referenser om tolkning av pumptest:

• Ferris, JG; Knowles, DB; Brown, RH; Stallman, RW (1962). Theory of Aquifer Tests (PDF) . Vattenförsörjningspapper 1536-EUS Geological Survey.
• Stallman, RW (1971). "Kapitel B1". Aquifer-testdesign, observation och dataanalys (PDF) . Bok 3, Tillämpningar av hydraulik. US Geological Survey.
• Reed, JE (1980). "Kapitel B3". Typkurvor för utvalda problem med flöde till brunnar i slutna akviferer ( PDF) . Bok 3, Tillämpningar av hydraulik. US Geological Survey.
• Franke, 0.L.; Reilly, TE; Bennett, GD (1987). "Kapitel B5". Definition av gräns- och initiala förhållanden i analysen av mättade grundvattenflödessystem — En introduktion ( PDF) . Bok 3, Tillämpningar av hydraulik. US Geological Survey.

Några kommersiella tryckta referenser om tolkning av akvifertest:

•   Batu, V. (1998). Aquifer Hydraulics: en omfattande guide till hydrogeologisk dataanalys . Wiley-Interscience. ISBN 0-471-18502-7 .
  • Bra sammanfattning av de mest populära akvifertestmetoderna, bra för praktiserande hydrogeologer
•   Dawson, KJ; Istok, JD (1991). Akvifertestning: design och analys av pump- och slugtester . Lewis förlag. ISBN 0-87371-501-2 .
  • Noggrann, lite mer matematisk än Batu
•   Kruseman, GP; de Ridder, NA (1990). Analys och utvärdering av pumptestdata (PDF) (andra upplagan). Wageningen, Nederländerna: International Institute for Land Reclamation and Improvement. ISBN 90-70754-20-7 .
  • Utmärkt behandling av de flesta akvifertestanalysmetoder (men det är en svår att hitta bok).
•   Boonstra, J.; Kselik, RAL (2002). SATEM 2002: Programvara för utvärdering av akvifertest . Wageningen, Nederländerna: International Institute for Land Reclamation and Improvement. ISBN 90-70754-54-1 .
  • På nätet: [1]
•   Sindalovskiy, LN (2011). ANSDIMAT - programvara för uppskattning av akviferparametrar . St. Petersburg, Ryssland (på ryska): Nauka. ISBN 978-5-02-025477-0 .
  • Online ANSDIMAT användarhandbok: [2] .

Fler boktitlar finns i avsnittet för vidare läsning av hydrogeologiartikeln, varav de flesta innehåller en del material om akvifertestanalys eller teorin bakom dessa testmetoder.

Analysprogramvara

• Programvara för vattenresurser från US Geological Survey
• Schlumberger Water Services – Programvara för analys av pumptest och slugtestdata
• ANSDIMAT – avancerad kommersiell programvara
• AQTESOLV – kommersiell standardprogramvara
• MLU för Windows LT – Gratis programvara för pumptest och slugtestanalys i ett eller två akvifersystem
• VINMOD Multi-Well – Grundvattenföroreningsanalys med hjälp av pumptester och föroreningsparametrar från pumpat grundvatten
• Hytool - Verktygslåda med öppen källkod för att pumpa och bygga upp testtolkning på Matlab
• SmartGEO - avancerad kommersiell programvara för karakterisering av heterogena akvifärer, hydraulisk tomografi och flera pumptester

Se även

• Dupuit–Forchheimers antagande
• Grundvatten
• Vattenbrunn