Multi-layered fractured aquifer characterization: a comparative study

Abstract

An effective framework for groundwater modelling is a precursor for sustainable management of regional water resources. Owing to the coexistence of contrasting hydrogeological units, modelling of groundwater flow through multi-layered fractured aquifers such as the granitic aquifers found in the Deccan region of India, requires an accurate estimation of hydraulic parameters and delineation of preferential flow-paths. There are several approaches towards this goal. This study compares seven methods by evaluating their abilities to reconstruct the hydraulic parameter distributions of a synthetic two-dimensional multi-layered aquifer analogue whose construction is based on pre-existing field data. The methods studied are (1) a homogeneous parameter model; (2) a single-hole equivalent model that provides an average of local-scale estimates; (3) a geostatistical single-hole model that involves kriging of the single-hole local-scale estimates; (4) a uniformly placed pilot-point model; (5) the sequential successive linear estimator (SSLE) algorithm; (6) a geostatistical-guided pilot-point model; and (7) a new approach that involves a pilot-point model guided by the results of the SSLE algorithm. The results of the inversions are compared visually using tomograms and by a statistical analysis of the time-drawdown datasets obtained from validation wells that were not used for calibrating the models. The uniform pilot-point model performed significantly better than the other methods. The SSLE algorithm recovered the fracture connectivity pattern with significant fidelity. Using the SSLE algorithm as a guide improved the parameter estimation at the cost of the fracture connectivity pattern.

Résumé

Un cadre efficace pour la modélisation des eaux souterraines est un prérequis pour la gestion durable des ressources en eau régionales. En raison de la coexistence d’unités hydrogéologiques contrastées, la modélisation de l’écoulement des eaux souterraines à travers des aquifères fracturés multicouches, tels que les aquifères granitiques que l’on trouve dans la région du Deccan en Inde, nécessite une estimation précise des paramètres hydrauliques et la délimitation des voies d’écoulement préférentielles. Il existe plusieurs approches pour atteindre cet objectif. Cette étude compare sept méthodes en évaluant leurs capacités à reconstruire les distributions des paramètres hydrauliques d’un analogue d’aquifère synthétique bidimensionnel multicouche dont la construction est basée sur des données de terrain préexistantes. Les méthodes étudiées sont (1) un modèle à paramètres homogènes; (2) un modèle équivalent à un seul forage qui fournit une moyenne des estimations à l’échelle locale; (3) un modèle géostatistique à un seul forage qui implique le krigeage des estimations à l’échelle locale à un seul forage; (4) un modèle à point pilote placé uniformément; (5) l’algorithme de l’estimateur linéaire séquentiel successif (SSLE); (6) un modèle à point pilote guidé par la géostatistique; et (7) une nouvelle approche qui implique un modèle à point pilote guidé par les résultats de l’algorithme SSLE. Les résultats des inversions sont comparés visuellement à l’aide de tomogrammes et par une analyse statistique des jeux de données de rabattement en fonction du temps obtenus à partir de forages de validation qui n’ont pas été utilisés pour calibrer les modèles. Le modèle à point pilote uniforme a donné de bien meilleurs résultats que les autres méthodes. L’algorithme SSLE a retrouvé le modèle de connectivité des fractures avec une fidélité significative. L’utilisation de l’algorithme SSLE comme guide a amélioré l’estimation des paramètres au détriment du modèle de connectivité des fractures.

Resumen

Un marco eficaz para la modelización de las aguas subterráneas es un factor precursor de la gestión sostenible de los recursos hídricos regionales. Debido a la coexistencia de unidades hidrogeológicas diferentes, la modelización del flujo de aguas subterráneas a través de acuíferos fracturados de múltiples capas, como los acuíferos graníticos de la región del Decán en la India, requiere una estimación precisa de los parámetros hidráulicos y la delimitación de las trayectorias de flujo preferenciales. Existen varios métodos para alcanzar este objetivo. Este estudio compara siete métodos mediante la evaluación de sus capacidades para reconstruir las distribuciones de los parámetros hidráulicos de un análogo sintético de acuífero multicapa bidimensional cuya construcción se basa en datos de campo preexistentes. Los métodos estudiados son (1) un modelo de parámetros homogéneo; (2) un modelo equivalente de un solo pozo que proporciona un promedio de las estimaciones a escala local; (3) un modelo geoestadístico de un solo pozo que implica el kriging de las estimaciones a escala local de un solo pozo; (4) un modelo de punto experimental uniformemente colocado; (5) el algoritmo del estimador lineal sucesivo secuencial (SSLE); (6) un modelo de punto experimental guiado por geoestadística; y (7) un nuevo método que implica un modelo de punto experimental guiado por los resultados del algoritmo SSLE. Los resultados de las inversiones se comparan visualmente mediante tomogramas y mediante un análisis estadístico de los conjuntos de datos de descenso temporal obtenidos de pozos de validación que no se utilizaron para calibrar los modelos. El modelo de punto experimental uniforme se comportó significativamente mejor que los otros métodos. El algoritmo SSLE recuperó el patrón de conectividad de las fracturas con una fidelidad significativa. El uso del algoritmo SSLE como guía mejoró la estimación de los parámetros a expensas del patrón de conectividad de las fracturas.

摘要

摘要 地下水建模的有效设计是区域水资源可持续管理的先决条件。由于不同水文地质单元的共存, 通过多层裂隙含水层, 例如在印度德干地区发现的花岗岩含水层, 地下水流建模需要准确估计水力参数和划定优先流动路径。有几种方法可以实现这一目标。本研究通过评估它们生成二维多层含水层结构以重建水力参数分布的效果来比较七种方法, 该结构基于预先存在的现场数据。研究的方法是 (1) 均质参数模型; (2)局部尺度平均的单孔等效模型; (3) 地质统计的单孔模型, 涉及单孔局部尺度估计的克里金法; (4) 均匀分布的试点模型; (5) 顺序连续线性估计器 (SSLE) 算法; (6) 地质统计先导的试验点模型; (7) 一种新方法, 该方法涉及由 SSLE 算法的结果先导的试验点模型。反演的结果使用断层扫描图和从未用于校准模型的验证井获得的时间下降数据集的统计分析进行可视化比较。均匀的试点模型性能明显优于其他方法。 SSLE 算法以显著的准确度再现裂缝连通模式。使用 SSLE 算法作为工具可改进以裂缝连通性为代价的参数估计。

Resumo

Resumo Uma estrutura eficaz para modelagem de águas subterrâneas é um precursor para a gestão sustentável dos recursos hídricos regionais. Devido à coexistência de unidades hidrogeológicas contrastantes, a modelagem do fluxo de água subterrânea através de aquíferos fraturados de várias camadas, como os aquíferos graníticos encontrados na região de Deccan da Índia, requer uma estimativa precisa dos parâmetros hidráulicos e delineamento de caminhos de fluxo preferenciais. Existem várias abordagens para esse objetivo. Este estudo compara sete métodos avaliando suas habilidades para reconstruir as distribuições de parâmetros hidráulicos de um análogo sintético bidimensional de aquífero multicamadas cuja construção é baseada em dados de campo pré-existentes. Os métodos estudados são (1) um modelo de parâmetros homogêneo; (2) um modelo equivalente de furo único que fornece uma média de estimativas em escala local; (3) um modelo geoestatístico de furo único que envolve a krigagem das estimativas em escala local de furo único; (4) um modelo de ponto piloto uniformemente colocado; (5) o algoritmo do estimador linear sucessivo sequencial (SSLE); (6) um modelo de ponto piloto geoestatístico; e (7) uma nova abordagem que envolve um modelo de ponto piloto guiado pelos resultados do algoritmo SSLE. Os resultados das inversões são comparados visualmente usando tomogramas e por uma análise estatística dos conjuntos de dados de redução de tempo obtidos a partir de poços de validação que não foram usados ​​para calibrar os modelos. O modelo de ponto piloto uniforme teve um desempenho significativamente melhor do que os outros métodos. O algoritmo SSLE recuperou o padrão de conectividade de fratura com fidelidade significativa. Usar o algoritmo SSLE como um guia melhorou a estimativa de parâmetro ao custo do padrão de conectividade de fratura.