Integral pumping tests for the characterization of groundwater contamination [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Martí Bayer-Raich

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• Publié par: eberhard_karls_universitat_tubingen
• Publié le: 01 janvier 2004
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 9 Mo

Extrait

Integral pumping tests for the
characterization of groundwater
contamination




Dissertation
zur Erlangung des Grades eines Doktors der Naturwissenschaften



der Geowissenschaftlichen Fakultät der
Eberhard-Karls-Universität Tübingen





vorgelegt von
Martí Bayer-Raich
aus Barcelona

2004



























Tag der mündlichen Prüfung: 29. Oktober 2004
Dekan: Prof. Klaus G. Nickel, Ph.D.
1. Berichterstatter: Dr. Thomas Ptak
2. Berichterstatter: Dr. Rudolf Liedl Summary

Where cities are located above productive aquifers and are far from surface water supplies,
groundwater is usually the primary freshwater source. However, groundwater pollution in
industrialized sites is a general problem in a variety of European cities. Most of them are located at
river basins and use groundwater for water supply from local aquifer systems. The investigation of
groundwater contamination, given the relative inaccessibility of the subsurface, is typically restricted
by the number of monitoring wells and therefore detailed characterization, using conventional
approaches, is economically not feasible at many sites.

A new integral approach for the investigation of groundwater contamination has been recently
developed at the Center of Applied Geosciences, University of Tübingen. Using this integral approach,
the concentration in a pumping well is measured as a function of time. This procedure increases the
sampling volume and reduces the effect of small scale variability that may bias point measurements.
This method is therefore capable of reaching the aquifer volume located between monitoring wells,
avoiding the risk of missing narrow contaminant plumes. Average concentrations and total mass flow
rates are obtained through an inversion procedure, providing reliable estimates of water quality and
source strength, respectively.

This thesis is entirely focused on the development and application of analytical and numerical tools for
the inversion of data obtained through integral pumping tests. A derivation of the fundamental
equation, partially based on previous results, is provided here and generalized to account for advective
transport and linear retardation within 3D heterogeneous aquifers. Both existing analytical and
numerical approaches have been further developed, tested and applied to a wide range of field scale
conditions. Within the analytical approach, the existing solutions have been generalized to fully
account for the groundwater velocity, i. e. without assuming perfect radial flow during pumping.
Additionally, the integral approach is further analysed through the classical theory of integral
equations by means of Abel´s integral transform providing a new closed-form solution. The novel
results are then compared, yielding a general methodology for dimensioning the optimal pumping
duration. Within the numerical framework, less restrictive conditions are considered (e. g.
heterogeneous aquifers, multiple-well pumping tests). A new numerical algorithm (an updated version
of the original code C1, extensively rewritten) is developed, implemented (in the code CSTREAM),
tested and applied to real data. A number of field-scale applications have been evaluated, in
cooperation with our partners in the projects SAFIRA and INCORE yielding consistent results. Within
the project SAFIRA, the integral approach is applied for the first time to a multi-layer aquifer system.
In a more theoretical framework, CSTREAM is also used to quantify the effects of heterogeneity and
variability of boundary conditions.

The results of this Thesis show that this approach has a great potential within both applied framework
for evaluation and investigation of real contaminated aquifers and theoretical or basic research to
further develop conceptual models for the evaluation of concentration-time data obtained in pumping
wells. Zusammenfassung

Städte, die keinen unmittelbaren Zugang zu oberflächigen Wasserreservoirs haben, decken häufig
einen erheblichen Teil ihres Bedarfs an Trink- und Gebrauchswasser mit Grundwasser, das lokal von
meist ergiebigen Aquiferen gefördert wird. Ein typisches Problem an urbanen industriellen Standorten
in Europa bilden jedoch Verunreinigungen im Grundwasser. Davon sind besonders oberflächennahe
Aquifere betroffen, die vorrangig für die Wassergewinnung in Frage kommen. Die Untersuchung von
Grundwasserverunreinigungen erfolgt wegen der Unzugänglichkeit des gesamten Untergrunds
konventionell nur grob über lokale Messungen an wenigen Überwachungsbrunnen. Detaillierte
Untersuchungen allein mithilfe von Punktmessungen sind an vielen Standorten ökonomisch oder
technisch nicht durchführbar. Als Alternative zur gängigen punktuellen Probennahme wurde vor
kurzem am Zentrum für Angewandte Geowissenschaften (ZAG) der Universität Tübingen ein neues
integrales Verfahren entwickelt. Dabei wird an einem Brunnen kurze Zeit Grundwasser gefördert und
währenddessen die Veränderung der Schadstoffkonzentration über die Zeit gemessen. Verglichen mit
Punktmessungen beprobt man mit diesem Verfahren ein deutlich größeres Volumen des Untergrunds.
Zudem verliert die kleinmaßstäbliche Variabilität von Schadstoffkonzentrationen, die an
Punktmessungen schwer zu interpretieren ist, durch die räumliche Betrachtung an Bedeutung.
Während bei ausschließlich punktuellen Messungen Schadstofffahnen bei grobem Beprobungsraster
leicht übersehen werden können, werden nun auch kleinräumliche Schadstoffausdehnungen im
Untergrund erreicht.
Bei der integralen Probenahme erhält man über ein Inversionsverfahren Durchschnittskonzentrationen
und Massenflussraten. Sowohl Wasserqualität als auch Schadstoff-Quellstärke lassen sich verlässlich
abschätzen. Die vorliegende Dissertation widmet sich der Entwicklung und Anwendung analytischer
und numerischer Werkzeuge für die Invertierung der durch die integrale Probennahme gewonnenen
Daten. Der hierzu grundlegende Algorithmus wird erläutert und zur Anwendung auf advektiven
Transport unter Berücksichtigung von Schadstoffretardation in dreidimensionalen heterogenen
Aquiferen umformuliert. Sowohl bestehende analytische als auch numerische Ansätze werden
weiterentwickelt und in einer Reihe von Untersuchungen unter Feldbedingungen getestet. Das
analytische Lösungsverfahren wird zur Berücksichtigung von Hintergrundströmung erweitert.
Zusätzlich wird mithilfe der Integraltransformation nach Abel eine neue Lösung in geschlossener
Form ermittelt. Die neuentwickelten analytischen Lösungen werden gegenübergestellt und liefern
zusammen eine allgemeine Methodik zur Abschätzung der optimalen Pumpdauer beim Pumpversuch.
Für das numerischen Verfahren werden weniger restriktive (Rand-)Bedingungen angenommen, so
zum Beispiel ein heterogener Grundwasserleiter und Pumptests mit mehreren Brunnen. Ausgehend
von dem numerischen Verfahren im bisher bestehenden Programm „C1“ wurde ein neuer Algorithmus
entwickelt, dieser als Software implementiert („CSTREAM“) und getestet. Die Anwendung des
Programms auf Felddaten aus einer Reihe von Anwendungen zeigte Konsistenz mit den bisherigen
Ergebnissen von Projektpartnern (SAFIRA, INCORE). Innerhalb des SAFIRA-Projektes wurde der
integrale Ansatz erstmals auf einen mehrschichtigen Aquifer angewandt. Schließlich dienten
theoretische Studien mit CSTREAM zu Sensitivitätsanalysen der Ergebnisse bei variabler
Aquiferheterogenität und veränderlichen Randbedingungen. Die Ergebnisse deuten auf eine breite
Anwendbarkeit der entwickelten Verfahren hin, sowohl zum Feldeinsatz als auch zur
Grundlagenforschung konzeptioneller Modelle für die Bewertung zeitlich variabler Konzentrationen,
die bei Pumptests gemessen werden. 1. INTRODUCTION

1.1 Motivaon 1
1.2 Objective
1.3 Strucre 2

2. THE INTEGRAL GROUNDWATER INVESTIGATION APPROACH

2.1. Relationship toprevious work 3
2.2. Governing equations 5
2.2.1. Contaminant mass flow rate across a control plane 5
2.2.2. Mass flux integral equation 7
2.2.3. Mathematical statement of the inversion problem: Analytical and
numerical approaches 9
2.2.4. Accounting for linear retardation: a simplified formulation 11
2.3 Numerical simulation and discussion ofmethodology 11
2.3.1. Forward simulation: plume development and integral pumping tests 11
2.3.2. Inverse problem: Analytical and numerical approaches 13

3. ANALYTICAL APPROACH FOR HOMOGENEOUS AQUIFERS

3.1. Introduction 16
3.2. Problem formulation for homogeneous aquifers: Volterra integral equation 16
3.3. Solution for the Volterra integral equation by numerical integration 19
3..1. Discrete solution
3.3.2. Numerical implementation in CSTREAM. 20
3.4. Approx