System för övervakning av grundvatten på flera nivåer

Multilevel Groundwater Monitoring Systems , även kallade Multi-Depth Groundwater Monitoring Systems , Multilevel Systems (MLSs), eller Engineered Nested Wells , är konstruerad teknik installerad i enstaka borrhål ovanför och/eller under vattenytan för att få data från olika djupintervall. Teknikerna kan bestå av olika rör, foder, tillträdesportar, provtagningspumpar, trycksensorer och tätningsmekanismer som installeras tillfälligt eller permanent i borrhål som borrats i okonsoliderade sediment eller berggrund.

MLS-system underlättar 1) pågående mätning och övervakning av djupdiskreta vattentryck ( hydraulikhuvuden ) och 2) upprepad insamling av djupdiskreta grundvattenprover för kemisk testning. Kommersiella MLS-system finns tillgängliga med så få som tre portar (CMT System) till mer än 20 portar (MP Westbay och Solinst Waterloo Systems). Ett väsentligt designelement för alla MLS-system är att de måste förhindra hydraulisk anslutning av de olika övervakade intervallen i borrhålet.

Medan de är installerade främst i vattenmättade sediment och berg, kan MLS-system också installeras i den vadosa zonen för insamling av djupdiskreta jordgasprover . Hybrid MLS-system kan konstrueras med vissa portar i den vadosa zonen och vissa portar i den mättade zonen.

Historia

Waterloo Multilevel Systems använder modulära komponenter för att bilda en förseglad höljesträng av olika höljeslängder, packare och portar. Övervakningsinstrument och rör fästs vid stammen på varje port individuellt, organiserade av ett brunnshuvud vid ytan.

Före 1970-talet krävde insamling av diskreta grundvattenprover från flera djup i underytan installation av brunnkluster eller kapslade brunnar . Brunnkluster består av en tätt placerad grupp av övervakningsbrunnar, varje brunn färdigställd till olika djup i enskilda borrhål. Brunnkluster användes först på 1950-talet på förorenade platser . Eftersom det bara finns en brunnsskärm i varje borrhål är risken liten för vertikal koppling mellan zoner. De individuella brunnarna i klustret måste installeras nära varandra (t.ex. ≤10 fot från varandra), så att huvuddata som erhålls från dem är ett resultat av variationer i den vertikala höjden och inte horisontella gradienter. Försiktighet måste också iakttas för att undvika att installera kluster av brunnar med överlappande skärmar och sandpackningar – detta kan tillåta vertikal rörelse av föroreningar mellan brunnarna i närvaro av vertikala hydrauliska gradienter. Installation av brunnkluster kan vara dyrt på grund av ökade borrkostnader förknippade med borrning av flera borrningar, särskilt i sprickat berg.

Kapslade brunnar är brunnar konstruerade av två eller flera brunnsskärmar och höljesenheter av olika längd installerade i ett enda borrhål. Den viktigaste nackdelen med kapslade brunnar är att det kan vara svårt att effektivt täta delarna av borrhålet mellan de övervakade zonerna. Kapslade brunnar var populära på 1970-talet men många tätningsfel inträffade. Av denna anledning avråds eller förbjuds kapslade brunnar i många områden. Det finns vanligtvis tre separata övervakningsintervall i kapslade brunnar, även om fler övervakningsintervall har konstruerats i mycket djupa övervakningsbrunnar. Risken för att hydrauliskt koppla de olika övervakningszonerna är omvänt proportionell mot tätningarnas tjocklek mellan övervakningsintervallen. Grunda kapslade brunnar med många övervakningszoner löper alltså större risk för hydrauliska haverier än djupt kapslade brunnar med färre övervakningszoner.

På grund av begränsningarna hos brunnkluster och kapslade brunnar och en önskan om att övervaka fler vertikala intervall, utvecklade forskare vid University of Waterloo ( Kanada) en MLS för att samla in djupdiskreta grundvattenprover på en deponi i Ontario, Kanada (Pickens et al. 1978). Det systemet, som innehöll flera rör i ett yttre PVC-rör, kommersialiserades sedan som Solinst Waterloo-systemet. Ytterligare förbättringar av det systemet inkluderade tillägget av packare för att hydrauliskt isolera övervakningsintervallen.

I början av 1980-talet använde forskare flera gasdrivna pumpar installerade på olika djup i borrhål för att samla in djupdiskreta grundvattenprover i en sprucken bergakvifer. En kommersiell version av detta gasdrivsystem, kallat "Barcad" efter dess uppfinnare, finns tillgängligt från BESST, Inc.

I mitten av 1980-talet utvecklades en MLS bestående av flera portar åtskilda av tomma höljen. Det systemet, kallat Westbay MP-systemet, använder ett separat verktyg som sänks ner i MLS på en kabel för att mäta akvifertryck och samla in grundvattenprover. Westbay MP-systemet är kommersiellt tillgängligt från Nova Metrix.

Typisk 3- eller 7-kanals CMT-installation med skikt av bentonit och sand som återfylls från ytan

I slutet av 1980-talet utvecklade forskare i Israel en brunnsinsert bestående av flera diffusionsceller som kunde infogas i en konventionell övervakningsbrunn för att utveckla vertikala profiler av målkoncentrationer av lösta ämnen. Detta system är inte kommersiellt tillgängligt.

I början av 1990-talet utvecklade ett team från Science and Engineering Associates, Inc. (SEA) tillsammans med Argonne National Laboratories en instrumentering och teknik för placering av vätskeprovtagare för in-situ karakterisering och vätskeövervakning i vadoszonen. Systemet, kallat SEAMIST™, konstruerades av ett flexibelt foder som vänds in i ett öppet borrhål. Sand hälldes i vändningsfodret under konstruktionen för att distribuera det till hela borrhålets djup. Sanden fungerade också för att hålla fodret pressat mot borrhålets väggar. Olika sensorer och provtagningsanordningar kunde portas genom fodret där de pressades mot borrhålet). Carl Keller förvärvade tillverkningsrättigheterna till systemet 1995 och utvecklade en version som kunde användas under grundvattenytan för djupdiskret grundvattenövervakning. Kallas till som Water FLUTe (Flexible Liner Underground Technology), systemet är kommersiellt tillgängligt från FLUTe, Inc.

I slutet av 1990-talet utvecklade Murray Einarson, som arbetade för Precision Sampling, Inc. i Kalifornien, ett kontinuerligt flerkanaligt rörsystem (CMT) för övervakning av upp till sju olika zoner i underjorden. Utveckling och testning av CMT-systemet stod i fokus för Einarsons examensarbete vid University of Waterloo. CMT-systemet består av en kontinuerlig längd av polyetenslang som har sju inre kanaler eller lumen. Skräddarsydda övervakningszoner skapas på plats genom att kapa portar i de olika kanalerna på specifika djup. CMT MLS är kommersiellt tillgänglig från Solinst Kanada.

Fördelar

Installation av Waterloo Multilevel System i ett permanent 4" hölje och skärmsträng med typiska metoder för placering av sand och bentonit/cement.

Flernivåsystem erbjuder följande fördelar jämfört med kluster av övervakningsbrunnar och kapslade övervakningsbrunnar:

Endast ett hölje (eller rör) är placerat i borrhålet. Detta förenklar processen med att installera ringformade tätningar mellan de övervakade zonerna och förbättrar tätningarnas tillförlitlighet.
En MLS underlättar insamling av grundvattenprover och mätning av hydraulhuvuden från många mer diskreta djup än vad som kan erhållas med typiska brunnkluster eller bon.
En MLS underlättar insamlingen av underjordiska huvud- och kemiska data över tid, vilket är något som inte kan åstadkommas med hjälp av "engångs"-profileringsverktyg som CPT eller Waterloo Profiler.
En enda MLS har ett mycket mindre "fotavtryck" vid markytan och skapar därför mindre ytstörningar än ett kluster av enskilda brunnar. En enda MLS är därför mindre märkbar och påträngande än ett kluster av brunnar.
Kostnaden för en MLS med flera övervakningsintervall är i allmänhet mycket mindre än kostnaden för ett motsvarande kluster av brunnar förutom i grunda, mjuka geologiska avlagringar där direkta trycktekniker kan användas för att snabbt installera många brunnar. I vissa områden kan tillstånd krävas för varje brunn i ett kluster. Detta kan avsevärt öka kostnaderna för ett kluster av övervakningsbrunnar.

Alla komponenter i flernivåsystem är tillverkade med stränga QA/QC-standarder och det finns detaljerade etablerade procedurer för MLS-installation och för att testa MLS efter installation. Varje MLS är ett konstruerat system som kan reproduceras från plats till plats. Däremot har kapslade brunnar inga standarder för komponenterna och installationsprocedurerna varierar vanligtvis beroende på brunnsinstallatören.

MLS har följande nackdelar jämfört med konventionella övervakningsbrunnar (anpassad från Einarson, 2006):

Det finns färre alternativ för att samla in vattenprover eftersom konventionella provtagningspumpar i allmänhet inte passar i de mindre MLS-rören eller på annat sätt är olämpliga; detta betyder att insamling av stora volymer grundvatten kan vara tidskrävande och opraktisk för vissa typer av MLS;
På grund av MLS-komponenternas och övervakningsverktygens specialiserade karaktär kan viss specialiserad utbildning eller teknisk assistans krävas, åtminstone initialt;
Vissa typer av MLS är svårare att avveckla än konventionella eller kapslade brunnar; och
Flödesbegränsningarna i de interna komponenterna (dvs. VVS) hos MLS gör dem i allmänhet mindre lämpliga eller mångsidiga för att utföra hydrauliska tester för att mäta permeabilitet och lagringsförmåga.

Installationsmetoder

Flernivåövervakningssystem installeras vanligtvis på ett av tre sätt:

Färdigställande av öppet hål : MLS förs in i ett helt öppet borrhål utan hölje, utom kanske ett ytligt hölje genom överlagringen in i berggrunden. Denna installationsmetod fungerar endast i intakt berg eller i borrningar borrade i överlagringar som förblir öppna när borrkronan och stängerna tas bort. Denna installationsmetod riskerar att urholkas eller blockeras under installationen som kan äventyra placeringen av sandpaket och tätningar. Risken för borrhålskollaps minskar när borrhålet fylls med borrvätska. Installationer av MLS-system i borrhål fyllda med borrvätskor kräver dock mer kraftfull brunnsutveckling och äventyrar i vissa fall hydrokemin. Fullständigt avlägsnande av bentonitborrvätskor kanske inte är möjligt på grund av den begränsade förmågan att kraftfullt utveckla konstruerade MLS-system .

Tillfällig komplettering av hölje : MLS förs in på insidan av ett tillfälligt borrhölje eller kärnstavar som sträcker sig till botten av borrhålet och tätningarna placeras från botten när höljet/kärnstångssträngen långsamt dras tillbaka. Därför fungerar borrhöljet/kärnstängerna som det tillfälliga skyddet under installationen. Denna typ av installation är vanligast när borrningen görs med soniska metoder i överbeläggning eller i instabil berggrund. Installationer som använder roterande verktyg för kärnborrning och luftroterande höljeshammare (ARCH) är också av denna typ.

Komplettering av hölje med flera skärmar : MLS installeras inuti en brunn i stål eller PVC med flera skärmar. Varje brunnssilsegment har en sand- eller gruspackning mellan sig och borrhålsväggen och är sålunda isolerad från övervakningszoner ovanför och nedanför av en injekteringsbruk eller bentonitförslutning. MLS konstrueras sedan inuti den flerskärmade brunnen. Detta lägger till ytterligare ett steg till brunnsinstallationsprocessen (dvs. att först installera en brunn med flera skärmar), men har flera fördelar. För det första är installation av konventionella stål- eller PVC-brunnar enkel och rutin för de flesta borrentreprenörer. Följaktligen är det inte nödvändigt att borrentreprenören har expertis för att installera flernivåövervakningssystem. När de flerskärmade brunnarna har installerats och utvecklats är borrentreprenörens jobb gjort och flernivåsystemen kan ofta installeras av fälttekniker, ofta till en lägre kostnad. För det andra kan de olika övervakningszonerna utvecklas med hjälp av standardutrustning och procedurer för brunnsutveckling innan flernivåövervakningssystemen installeras i brunnarna. Slutligen kan installation av flernivåsystem i brunnar med flera skärmar förenkla uppgiften att avveckla brunnarna när de inte längre behövs. De flesta flernivåsystemen kan konstrueras så att de lätt kan avlägsnas från de flerskärmade brunnarna. Sedan kan de flerskärmade brunnarna tryckinjekteras eller borras ut med hjälp av standardprocedurer för avveckling av brunn.

Kommersiell MLS-teknik

Solinst CMT System

Solinsts kontinuerliga flerkanaliga rörsystem (CMT) är ett system som använder specialextruderade flexibla 1,7-tums OD flerkanaliga MDPE-slangar för att övervaka så många som sju diskreta zoner inom ett enda borrhål i antingen okonsoliderat sediment eller i berggrunden. Före införandet skapas portar som tillåter grundvatten att komma in i var och en av de sex yttre pajformade kanalerna (nominell diameter = 0,5 tum) på olika djup med en central sexkantig mittkanal (nominell diameter = 0,4 tum) i botten. Flerkanalsslangen kan extruderas i längder upp till 300 fot och levereras vanligtvis som 200 fots längder i 4-fots diameter spolar. Den önskade längden på slangen, lika med det totala djupet av flernivåbrunnen plus stickup, skärs från spolen och brunnen byggs på arbetsplatsen baserat på de hydrogeologiska data som erhållits från undersökningsborrningen eller andra metoder. Slangen är tillräckligt styv för att lätt kunna hanteras, men ändå lätt och flexibel nog att tillåta arbetstagare att föra in flernivåbrunnen hand-över-hand i borrhålet. Hittills har CMT-installationer varit nästan helt återfyllda installationer där sandpacken och bentonitförseglingar hälls eller rensas från markytan. Einarson och Cherry (2002) ger ytterligare information om CMT-systemet. Mer information tillhandahålls även av Solinst .

Solinst Waterloo System

Solinst Waterloo Multilevel grundvattenövervakningssystem är ett modulärt MLS designat för att samla in grundvattendata från flera djup inom ett enda borrhål via en serie övervakningsportar placerade med specifika intervall längs 2-tums ID Schedule 80 PVC-hölje. De olika övervakningsportarna kan anslutas till en kombination av: provtagningspumpar, givare eller polyetenrör som sträcker sig från portarna till markytan inuti PVC-höljet. Den släta ytterväggen på PVC-höljet underlättar konstruktionen av ringformade tätningar mellan de övervakade zonerna i borrhålet via återfyllning med omväxlande lager av sand och bentonit, eller med hjälp av expanderbara packare tillverkade av Solinst. Sektionerna av PVC-hölje har vattentäta skarvar för att förhindra hydraulisk korskommunikation i brunnen. Beroende på övervakningsutrustningens diameter och antal kan systemet ha upp till 24 portar. Systemet beskrivs närmare av Einarson (2006), med ytterligare information från Solinst .

Solinst Multilevel Drive-Point Piezometer

Solinst Multilevel Drive-Point Piezometer kan tillhandahålla upp till sex övervakningszoner på en enhetsplats. Multilevel Drive-Point Piezometrar består av portar med rostfritt stål, 100 mesh cylindriska filterskärmar i 3/4" OD rostfritt stål drivpunktsportkroppar. Portarna är anslutna med 3/4" NPT rostfria kopplingar och 3/4" NPT drivrörsförlängningar av stål. En Drive-Point Tip träs på den första förlängningen, eller porten, för att drivas ner i marken. Portarna har en dubbel hullingförsedd skaft som möjliggör anslutning av antingen 3/8" OD eller 1/4" OD polyeten- eller PTFE-fodrade slangar för att skapa upp till 3 respektive 6 övervakningszoner. Övervakningsportar, kopplingar och förlängningar läggs till när piezometern förs in i ytan. Solinst Multilevel Drive-Point Piezometrar kan köras ner i marken med valfri direkt tryck- eller borrteknik, inklusive en manuell glidhammare. Multilevel Drive-point Piezometrar är lämpliga för många platser; djupbegränsningar varierar med markförhållanden och drivmetoden som används. Du kan hitta mer information på Solinsts webbplats .

Vatten FLUTe System

Water FLUTe-systemet är ett MLS som använder ett flexibelt ogenomträngligt foder av polyuretanbelagt nylontyg som blåses upp mot borrhålsväggen för att isolera många diskreta intervall, som var och en nås av ett provtagningsrör som sträcker sig till markytan. Systemet specialtillverkas på fabriken efter kundens specifikationer och skickas sedan på rulle till platsen för installation. Systemet kan användas för att övervaka ett fåtal zoner i borrhål så små som 2 tum, till borrhål upp till 20 tum i diameter där många djupintervall kan övervakas (de flesta installationer är i borrhålsintervallet 4 till 10 tum) med maximalt djup hittills på 1 400 fot. Djup-till-vatten-mätningar kan göras inuti provtagningsslangen med hjälp av vattennivåmätare med liten diameter. Dedikerade tryckgivare som tillval underlättar kontinuerlig, långvarig tryckövervakning. Water FLUTe-system beskrivs vidare av Einarson (2006) och Cherry et al. (2007) och genom att gå in på FLUTes webbplats .

Westbay MP-system

Westbay MP-systemet är ett modulärt instrumenteringssystem för flernivåövervakning av grundvatten som förvärvades av Nova Metrix 2015, MP-systemet består av två delar: (1) höljessystemet och (2) bärbara sonder och verktyg som tillhandahåller ett kompatibelt datainsamlingssystem. Westbay-höljessystemet är designat för att möjliggöra övervakning av flera diskreta nivåer i ett enda borrhål. Höljet finns i två olika storlekar, MP38-systemet (38 mm, 1,5-tum) och MP55-systemet (55 mm, 2,25-tum).

En enda sträng av vattentäta Westbay-mantelsektioner installeras i borrhålet. Varje önskad övervakningszon har ventilförsedda kopplingar och portar för att komma åt grundvatten utanför höljet och instrument inuti höljet. Westbay-packare eller återfyllda tätningar används för att täta borrhålet mellan övervakningszoner för att förhindra det onaturliga vertikala flödet av grundvatten i borrhålet och upprätthålla in situ-fördelningen av vätsketryck och kemi. Westbay-systemet kan installeras i antingen öppna bergborrhål eller kapslade brunnar med flera skärmar. System har även installerats i återfyllda borrhål. Specialutrustning och sonder som sänks ner i höljet till varje port används för att övervaka och samla in prover från Westbay-system. Detta system kan inkludera ett stort antal övervakningsintervall eftersom systemet är helt modulärt och inte kräver flera rör som sträcker sig till markytan. Westbay MLS-system har installerats till ett maximalt djup av 7 128 fot. Ytterligare information om systemet presenteras av Black et al. (1986) och Einarson (2006). Mer information finns också på hemsidan .

Avveckling

För att avveckla ett MLS-system i antingen öppna berghål eller i flerskärmshölje, måste MLS antingen tas bort för att tillåta gjutning av hålet, eller så måste MLS utformas så att det, när det lämnas på plats, kan vara helt förseglad genom injektering (dvs. ett "injekterat på plats"-system). För återfyllda installationer kan avlägsnande av MLS vara svårt, så MLS-systemen är vanligtvis injekterade på plats. Alternativt måste MLS borras ut eller överborras för borttagning och sedan måste det överborrade hålet injekteras.

Installation av MLS-system i flerskärmade kapslade brunnar förenklar avvecklingsprocessen för alla system, vilket är en anledning till att sådana installationer blir populära. Att ha ett jämnt rör med låg friktion och konsekvent innerdiameter som omger MLS-systemet förenklar borttagningen av MLS-komponenterna. Det flerskärmade brunnshöljet kan sedan tas ur drift med standardmetoder som tryckinjektering eller genom att borra ut höljet.

Specifik vägledning och protokoll för avveckling av de olika kommersiella MLS-teknologierna finns tillgängliga från systemtillverkarna.

Tillämplighet

Överbelastning och sten

Alla kommersiellt tillgängliga flernivåsystem kan installeras i okonsoliderad överbelastning , vanligtvis med hjälp av återfyllningsmetoden. Med FLUTe-systemet skapas emellertid de ringformade tätningarna av fodret som pressas mot borrhålsväggen via tryck som appliceras av vatten, luft eller sand som fyller fodret.

Samtliga system kan installeras i berggrunden . Med undantag för FLUTe kan ringformade tätningar installeras via återfyllningsmetoden. Expanderbara, uppblåsbara packare finns också för Solinst Waterloo- och Westbay-systemen. Tätningar för FLUTe MLS-system skapas av FLUTe liner som diskuterats ovan. FLUTe-system har i första hand installerats i berggrundskärnhål, ofta som en del av undersökningar som inkluderar delar av DFN-metoden (Discrete Fracture Network).

Djupområden

Alla de konstruerade MLS-teknikerna kan installeras på grunda djup, men endast Westbay MLS-systemet kan installeras på djup upp till flera tusen fot. Solinst CMT-systemet är det vanligaste grunda MLS-systemet. Det har gjorts mer än 5 000 installationer av CMT-system över hela världen till djup som vanligtvis är mindre än 200 fot [ 1] med vissa installationer till 500 fot med 3-kanals CMT. Solinst Waterloo-system installeras vanligtvis på djup upp till 1000 fot. Water FLUTe- och Westbay-system har installerats till djup större än 1000 fot, även om det har installerats mer djupa Westbay-system än FLUTe-system. Det djupaste konstruerade MLS-systemet är ett Westbay-system med 11 övervakningsportar som installerades till ett djup av 7 128 fot i Illinois.

Bedömning och sanering av förorenad plats

Alla MLS-system har starka tillämpningar vid bedömning av förorenade platser. MLS-brunnarna kan installeras längs provtagningstransekter för att ge ekonomisk, högupplöst insikt i föroreningsfördelning och flödeshastigheter. Identifiering av plymkärnor är mycket viktigt för att designa effektiva in situ-saneringssystem såsom permeabla reaktiva barriärer (PRB). Transekter av MLS-system ger också robusta data för prestandaövervakning av in situ-sanering. MLS-system ger också information om vertikala hydrauliska lutningar. Starka vertikala gradienter i en huvudprofil kan användas för att identifiera aquitards som utgör starka barriärer för vertikal migration av föroreningar.

Geoteknisk

Djupberoende hydraulhuvuddata är mycket viktiga för geotekniska studier. Några av de tidigaste tillämpningarna av vertikala huvudprofiler var till stöd för geotekniska studier av bergets stabilitet (t.ex. Patton 1983).

Vattenresurser

Det finns ett starkt behov av djupdiskreta höjd- och vattenkvalitetsdata vid studier och planering av vattenresurser. Variationer i huvuden med djup kan identifiera effektiva aquitards som kan hindra omladdning till djupa akviferer. Vertikala huvudprofiler ger viktiga kalibreringspunkter för grundvattenmodeller. Djupdiskret grundvattenkvalitetsdata är också mycket användbar för optimering av brunnskonstruktion och pumpprogram för att utvinna grundvatten av acceptabel kvalitet. En av de största utbyggnaderna av Westbay MLS-system var att stödja hanteringen av en flerlagers akvifer i Orange County, Kalifornien. Westbay MLS-brunnen används också för att optimera grundvattenkvalitet och extrakt för ett vattendistrikt i Mojaveöknen i Kalifornien.

Ytterligare läsning och externa länkar