Data-driven modeling for groundwater exploration in fractured crystalline terrain, northeast Brazil

Abstract

It is not possible, using numerical methods, to model groundwater flow and transport in the fractured crystalline rock of northeastern Brazil. As an alternative, the usefulness of self-organizing map (SOM), k-means clustering, and Davies-Bouldin techniques to conceptualize the hydrogeology was evaluated. Also estimated was the well yield and groundwater quality across the Juá region. This process relies on relations in the underlying multivariate density function associated with a sparse local set of hydrogeologic (electrical conductivity, geology, temperature, and well yield) and a complete regional set of airborne geophysical (electromagnetic, magnetic, and radiometric) and satellite spectrometric measurements. Resampling of the regional well yield and electrical conductivity estimates provides sufficient resolution to construct variograms for stochastic modeling of the hydrogeologic variables. The combination of these stochastic maps provides a way to identify potential drilling targets for future groundwater development. The data-driven estimation approach, when applied to available airborne electromagnetic and water-well hydrogeologic measurements, provides a low-cost alternative to numerical groundwater flow modeling. In addition to fractured rock environments, the alternative modeling framework can provide spatial parameter estimates and associated variograms for constraints to improve the traditional calibration of equivalent groundwater-porous-media models.

Résumé

Il n’est pas possible, en utilisant les méthodes numériques, de modéliser écoulements et transferts souterrains dans le massif cristallin fracturé du Nord-Est du Brésil. Comme solution de remplacement, on a évalué l’utilité de la carte auto-adaptative (CAA), regroupement selon les k-moyennes, et celle des techniques de Davies-Bouldin de conceptualisation de l’hydrogéologie. Ont été également estimés le débit des puits et la qualité de l’eau sur la région de Juá. Cette méthode est basée sur les relations à l’intérieur de la fonction de densité des multi variables sous-jacentes, associées à une série locale de données hydrogéologiques (conductivité électrique, géologie, température et production des puits) dispersées et un ensemble régional complet de mesures de géophysique aéroportée (électromagnétiques, magnétiques et radiométriques) et de spectrométrie par satellite. Le ré-échantillonnage du rendement des puits de la région et des estimations de conductivité électrique est assez précis pour construire des variogrammes en vue d’une modélisation stochastique des paramètres hydrogéologiques. La combinaison de ces cartes stochastiques livre un moyen d’identification des cibles potentielles de foration en vue du développement futur des eaux souterraines. L’approche par estimation sous pilotage des données, quand elle est appliquée aux mesures disponibles d’électromagnétisme aéroporté et d’hydrogéologie des puits, offre une alternative à bas coût à la modélisation numérique de l’écoulement souterrain. Au-delà des milieux rocheux fracturés, le cadre du modèle alternatif peut fournir une estimation spatiale des paramètres et des variogrammes des contraintes associées afin d’améliorer le calage classique des modèles équivalents de milieux poreux aquifères.

Resumen

No es posible, usando métodos numéricos modelar el flujo y transporte de agua subterránea en las rocas cristalinas fracturadas del noreste de Brasil. Como alternativa se evaluó la utilidad de mapas autoorganizados (SOM), agrupamiento de las k medias y técnicas de Davies-Bouldin para conceptualizar la hidrogeología. También se estimó el rendimiento de los pozos y la calidad del agua subterránea a través de la región Juá. Este proceso depende de las relaciones en la función multivariada de densidad subyacente asociada con un conjunto local disperso de datos hidrogeológicos (conductividad eléctrica, geología, temperatura, y rendimiento de pozos) y un conjunto completo regional de mediciones de la geofísica aérea (electromagnéticas, magnéticas y radiométricas) y mediciones espectrométricas satelitales. El remuestreado del rendimiento regional de pozos y las estimaciones de conductividad eléctrica proporciona una suficiente resolución para construir variogramas para el modelado estocástico de las variables hidrogeológicas. La combinación de estos mapas estocásticos proporciona una forma para identificar los potenciales objetivos de perforación para el futuro desarrollo de agua subterránea. El enfoque de estimación forzado por los datos empleados, cuando se aplica a las medidas electromagnéticas aéreas e hidrogeológicas de pozos de agua, proporciona una alternativa de bajo costo para el modelado numérico del flujo de aguas subterráneas. Además de los ambientes de rocas fracturadas, el esquema del modelado alternativo puede proveer la estimación de parámetros espaciales y variogramas asociados para las limitaciones para mejorar la calibración tradicional de los modelos equivalentes de agua subterránea en medios porosos.

摘要

在巴西东北部裂隙结晶岩带,利用数值方法模拟地下水的流动和迁移几乎是不可能的。作为一种替代方案,对利用自组织映射, k平均值聚类和Davies-Bouldin技术概念化水文地质学进行了评价。同时,对Juá区域的水井涌水量和地下水水质也进行了评价。这个过程依赖于与当地稀疏的水文地质单元(电导率,地质,温度和水井涌水量)相关联的底层多变量密度函数和区域完整的航空物探(电磁,磁和放射性测量)及卫星光谱测量的关系。对区域水井涌水量和电导率评估的重采样为建立水文地质变量随机模型的变异函数提供了足够的分辨率。这些随机网络的结合为未来地下水的开发确定潜在的钻孔目标提供了一种方法。数据驱动评估方法被应用到现有航空电磁和水井水文地质测量时,为地下水流数值模拟提供了一个低成本的替代方案。除了裂隙岩体环境外,这个替代模型的框架可以为约束条件提供空间参数评估和相关联的变异函数,进而改善对相当于地下水多孔介质模型进行校准的传统方法。

Resumo

Nas rochas cristalinas fraturadas do nordeste do Brasil não é possível modelar o fluxo e transporte de água subterrânea usando métodos numéricos. Como alternativa, avaliou-se a aplicabilidade das técnicas de mapa auto-organizado (SOM), agrupamento k-means, e técnicas Davies-Bouldin para a concetualização da hidrogeologia. Também foram estimadas a produtividade das captações e a qualidade das águas subterrâneas em toda a região de Juá. Este processo baseia-se nas relações subjacentes da função densidade multivariada associada a um conjunto esparso de dados hidrogeológicos locais (condutividade elétrica, geologia, temperatura e produtividade), num conjunto completo de dados regionais de geofísica aérea (eletromagnética, magnética e radiométrica) e em medições espetrométricas de satélite. A reamostragem das estimativas de produtividade e condutividade elétrica fornece uma resolução que permite a construção de variogramas para a modelação estocástica das variáveis hidrogeológicas. A combinação destes mapas estocásticos proporciona um caminho para a identificação de potenciais locais de perfuração para a exploração futura de águas subterrâneas. A abordagem de estimação baseada em dados, quando aplicada a medições disponíveis de eletromagnética aérea e a dados hidrogeológicos a nível da sondagem, fornece uma alternativa de baixo custo à modelação numérica de fluxo. Além de ambientes de rochas fraturadas, este quadro alternativo de modelação pode fornecer estimativas espaciais de parâmetros e variogramas associados para criar restrições que possam servir para melhorar a calibração tradicional de modelos de fluxo em meios porosos equivalentes.