Hydrogeology Journal

, Volume 18, Issue 3, pp 607–624

Stepwise inversion of a groundwater flow model with multi-scale observation data

  • Zhenxue Dai
  • Elizabeth Keating
  • Carl Gable
  • Daniel Levitt
  • Jeff Heikoop
  • Ardyth Simmons
Paper

DOI: 10.1007/s10040-009-0543-y

Cite this article as:
Dai, Z., Keating, E., Gable, C. et al. Hydrogeol J (2010) 18: 607. doi:10.1007/s10040-009-0543-y

Abstract

Based on the regional hydrogeology and the stratigraphy beneath the Los Alamos National Laboratory (LANL) site, New Mexico (USA), a site-scale groundwater model has been built with more than 20 stratified hydrofacies. A stepwise inverse method was developed to estimate permeabilities for these hydrofacies by coupling observation data from different sources and at various spatial scales including single-well test, multiple-well pumping test and regional aquifer monitoring data. Statistical analyses of outcrop permeability measurements and single-well test results were used to define the prior distributions of the parameters. These distributions were used to define the parameter initial values and the lower and upper bounds for inverse modeling. A number of inverse modeling steps were performed including the use of drawdown data from the pump tests at two wells (PM-2 and PM-4) separately, and a joint inversion coupling PM-2 and PM-4 pump test data and head data from regional aquifer monitoring. Parameter sensitivity coefficients for different data sets were computed to analyze if the model parameters can be estimated accurately with the data provided at different steps. The joint inversion offers a reasonable fit to all data sets. The uncertainty of estimated parameters for the hydrofacies is addressed with the parameter confidence intervals.

Keywords

Stepwise inversion Hydrofacies Multi-scale data Parameter sensitivity Joint inversion USA 

Inversion par étape d’un modèle d’écoulement d’eau souterraine avec des données d’observation à échelle multiple

Résumé

Un modéle des écoulements souterrains à l’échelle du site du laboratoire national d’Alamos (Nouveau Mexique, Etats Unis d’Amérique) comprenant plus de 20 faciès hydrogéologiques stratifies a été établi à partir de la connaissance régionale hydrogéologique et stratigraphique. Une méthode d’inversion par étape a été développée afin d’estimer les paramètres hydrodynamiques pour les différents faciès hydrogéologiques en couplant des données d’observation de différentes sources et à différentes échelles spatiales, comprenant des données issues des essais de pompages sur puits unique et sur puits multiple ainsi que des données de réseau régional d’observations piézométriques. Des analyses statistiques des mesures de perméabilité sur affleurements et des résultats des essais de pompage et d’infiltration sur puits ont été utilisées pour définir les distributions préalables des paramètres. Ces distributions ont été utilisées pour définir les valeurs initiales des paramètres ainsi que leurs bornes inférieures et supérieures à intégrer dans la modélisation inverse. Un certain nombre d’étapes de modélisation inverse a été effectué comprenant l’intégration des données de rabattements au niveau de deux forages (PM-2 et PM-4) de manière distincte, d’un couplage joint d’inversion des données des essais de pompages de PM-2 et PM-4 ainsi que des données piézométriques du réseau régional de suivi de l’aquifère. Une analyse de sensibilité des paramètres pour différents jeux de données a été effectuée afin d’analyser si les paramètres du modèle peuvent être déterminés avec précision à l’aide des données fournies par les différentes étapes de l’inversion. Les résultats de l’inversion jointe fournissent un calage raisonnable pour tous les jeux de données. L’incertitude des paramètres estimés pour les faciès hydrogéologiques est présentée à l’aide d’intervalles de confiance.

Inversión por etapas de un modelo de flujo de aguas subterráneas con datos de observación multiescala

Resumen

Basado en la hidrogeología regional y en la estratigrafía debajo del sitio del Laboratorio Nacional Los Álamos, Nueva Méjico, EEUU se ha construido un modelo de flujo de aguas subterráneas a escala del sitio con más de 20 hidrofacies estratificadas. Se desarrolló un método inverso por etapas para estimar los parámetros de flujo para estas hidrofacies acoplando datos observacionales de diferentes orígenes y en varias escalas espaciales incluyendo ensayos en un solo pozo, ensayos de bombeo en múltiples pozos y datos de monitoreo del acuífero regional. Los análisis de los resultados estadísticos de las medidas de permeabilidad de los afloramientos y pruebas de bombeo o medidas puntuales de permeabilidad (slug test) en un solo pozo fueron usados para definir la distribución prioritaria de los parámetros. Estas distribuciones fueron usadas para definir los valores iniciales del parámetro y los límites superior e inferior para el modelado inverso. Algunas etapas de modelado inverso fueron realizadas incluyendo el uso de datos de depresión a partir de ensayos de bombeo en dos pozos (PM-2 y PM-4) en forma separada, y una inversión conjunta que acopla los datos de ensayos de bombeo de PM-2, los datos de PM-4, y los datos de carga a partir del monitoreo del acuífero regional. Los coeficientes de sensibilidad del parámetro para diferentes conjuntos de datos fueron computados para analizar si los parámetros del modelo pueden ser estimados con precisión con los datos provistos en las diferentes etapas. Los resultados de la inversión en conjunto ofrecen un ajuste razonable para todos los conjuntos de datos. La incerteza de los parámetros estimados para las hidrofacies es satisfecha con los intervalos de confidencia de los parámetros.

利用多尺度监测数据对某地下水流模型进行逐步反演

摘要

基于美国新墨西哥州Los Alamos国家实验室场地的区域水文地质和地层条件, 建立了一个有20多个水力相分层的场地尺度的地下水流模型。通过耦合不同来源的各种空间尺度 (包括单井抽水试验、群井抽水试验和区域含水层监测数据) 的观测数据, 采用逐步反演方法估算各水力相的水流参数。通过对露头渗透性测量、单井段塞或抽水试验结果的统计分析, 得到参数的先验分布, 用以确定参数初值和反向模拟的上下边界。大量反向模拟过程当中用到了两口井(PM-2 and PM-4)抽水试验的降深数据 (单独或联合), 及区域含水层监测的水头数据。计算了不同数据集的参数灵敏度系数, 以分析各步骤提供的数据能否准确估算该模型参数。联合反演结果对所有的数据集都给出了合理的拟合。估算所得各水力相参数的不确定性由参数的置信区间给定。

Inversão passo-a-passo de um modelo de fluxo de água subterrânea com dados de observação multi-escala

Resumo

Com base na hidrogeologia regional e na estratigrafia sob o Los Alamos National Laboratory Site, Novo México, EUA, foi construído um modelo de fluxo de água subterrânea à escala das instalações, com mais de 20 hidrofácies estratificadas. Foi desenvolvido um método de inversão passo-a-passo para estimar os parâmetros de fluxo para aquelas hidrofácies, através da associação de dados de observação de várias origens e a diversas escalas espaciais, incluindo ensaios de bombagem em furo singular, ensaios de bombagem em múltiplos furos e dados de monitorização regional do aquífero. Para definir as distribuições prévias dos parâmetros, foram usadas análises estatísticas de medições de permeabilidade em afloramento e resultados de ensaios "slug-test" em furos singulares ou de ensaios de bombagem. Estas distribuições foram usadas para definir os valores iniciais dos parâmetros e os limites inferiores e superiores para a modelação inversa. Foram executados diversos passos de modelação inversa, incluindo o uso em separado de dados de rebaixamento dos ensaios de bombagem em dois furos (PM-2 e PM-4) e uma versão em que se associaram os dados dos ensaios de bombagem em PM-2 e em PM-4 com os dados de piezometria da monitorização regional do aquífero. Foram calculados coeficientes de sensibilidade dos parâmetros para os diversos conjuntos de dados, destinados a avaliar se os parâmetros do modelo podem ser estimados exactamente com os dados fornecidos nos diferentes passos. Os resultados da inversão conjunta proporcionam um razoável ajuste a todos os conjuntos de dados. A incerteza dos parâmetros estimados para as hidrofácies está incluída nos intervalos de confiança dos parâmetros.

Copyright information

© Springer-Verlag 2009

Authors and Affiliations

  • Zhenxue Dai
    • 1
  • Elizabeth Keating
    • 1
  • Carl Gable
    • 1
  • Daniel Levitt
    • 1
  • Jeff Heikoop
    • 1
  • Ardyth Simmons
    • 1
  1. 1.Earth and Environmental Sciences DivisionLos Alamos National LaboratoryLos AlamosUSA

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