Impact of model complexity and multi-scale data integration on the estimation of hydrogeological parameters in a dual-porosity aquifer

Abstract

This study investigates the impact of model complexity and multi-scale prior hydrogeological data on the interpretation of pumping test data in a dual-porosity aquifer (the Chalk aquifer in England, UK). In order to characterize the hydrogeological properties, different approaches ranging from a traditional analytical solution (Theis approach) to more sophisticated numerical models with automatically calibrated input parameters are applied. Comparisons of results from the different approaches show that neither traditional analytical solutions nor a numerical model assuming a homogenous and isotropic aquifer can adequately explain the observed drawdowns. A better reproduction of the observed drawdowns in all seven monitoring locations is instead achieved when medium and local-scale prior information about the vertical hydraulic conductivity (K) distribution is used to constrain the model calibration process. In particular, the integration of medium-scale vertical K variations based on flowmeter measurements lead to an improvement in the goodness-of-fit of the simulated drawdowns of about 30%. Further improvements (up to 70%) were observed when a simple upscaling approach was used to integrate small-scale K data to constrain the automatic calibration process of the numerical model. Although the analysis focuses on a specific case study, these results provide insights about the representativeness of the estimates of hydrogeological properties based on different interpretations of pumping test data, and promote the integration of multi-scale data for the characterization of heterogeneous aquifers in complex hydrogeological settings.

Résumé

Cette étude étudie l’impact de la complexité du modèle et des données hydrogéologiques préalables multi-échelles sur l’interprétation des données de pompage d’essai dans un aquifère à double porosité (l’aquifère de la craie en Angleterre, Royaume -Uni). Afin de caractériser les propriétés hydrogéologiques, différentes approches s’étendant d’une solution analytique traditionnelle (approche de Theis) à des modèles numériques plus sophistiqués avec des paramètres d’entrées automatiquement calibrés sont appliquées. Les comparaisons des résultats des différentes approches prouvent que ni les solutions analytiques traditionnelles ni un modèle numérique supposant une couche aquifère homogène et isotrope ne peuvent expliquer convenablement les rabattements observés. Au contraire, une meilleure reproduction des rabattements observés dans chacun des sept endroits de suivi est obtenue quand le milieu et des informations préalables à l’échelle locale sur la distribution de la conductivité hydraulique verticale (K) sont employées pour contraindre le procédé de calage du modèle. En particulier, l’intégration des variations verticales de K à une échelle moyenne basées sur des mesures de débitmètre mène à une amélioration de la qualité de l’ajustement des rabattements simulés d’environ 30%. On a observé d’autres améliorations (jusqu’à 70%) quand une approche de mise à l’échelle (upscaling) simple a été employée pour intégrer des données de K à petite échelle pour contraindre le procédé automatique de calage du modèle numérique. Bien que l’analyze se concentre sur une étude de cas spécifique, ces résultats fournissent un éclairage sur la représentativité des évaluations des propriétés hydrogéologiques basées sur différentes interprétations des données de pompage d’essai, et favorisent l’intégration de données multi-échelles pour la caractérisation des aquifères hétérogènes dans les systèmes hydrogéologiques complexes.

Resumen

Este estudio investiga el impacto de la complejidad del modelo y de los datos hidrogeológicos previos de múltiples escalas en la interpretación de los datos de ensayos de bombeo en un acuífero de doble porosidad (el acuífero Chalk en Inglaterra, Reino Unido). Para caracterizar las propiedades hidrogeológicas, se aplican diferentes enfoques que van desde una solución analítica tradicional (enfoque de Theis) hasta modelos numéricos más sofisticados con parámetros de entrada calibrados automáticamente. Las comparaciones de los resultados de los diferentes enfoques muestran que ni las soluciones analíticas tradicionales ni un modelo numérico que asuma un acuífero homogéneo e isotrópico pueden explicar adecuadamente las depresiones observadas. En cambio, se logra una mejor reproducción de las depresiones observadas en las siete ubicaciones de monitoreo cuando se usa información previa a escala local y media sobre la distribución vertical de conductividad hidráulica (K) para restringir el proceso de calibración del modelo. En particular, la integración de las variaciones verticales de K a escala media basadas en mediciones de flujo conduce a una mejora en la bondad de ajuste de las depresiones simuladas de aproximadamente 30%. Se observaron mejoras adicionales (hasta 70%) cuando se utilizó un enfoque de escalamiento simple para integrar datos de K a pequeña escala para restringir el proceso de calibración automática del modelo numérico. Aunque el análisis se centra en un estudio de caso específico, estos resultados proporcionan información sobre la representatividad de las estimaciones de propiedades hidrogeológicas basadas en diferentes interpretaciones de los datos de ensayos de bombeo y promueven la integración de datos a múltiples escalas para la caracterización de acuíferos heterogéneos en configuraciones hidrogeológicas complejas.

摘要

本研究调查了模型复杂性及先前多尺度水文地质数据对(英国英格兰白垩含水层)双重孔隙介质含水层抽水试验数据解译的影响。为了描述水文地质特性,应用了从传统解析方法(Theis方法)到更复杂的具有自动校准输入参数的数值模型等不同方法。不同方法的比较结果显示,假定是均质及各向同性含水层,无论是传统解析方法还是数值模型都不能充分解释观测到的水位下降。当采用有关垂直水力传导率(K)分布的介质及局部尺度的先前信息约束模型校准过程时,反而在七个观测点能够再现观测到的水位下降。特别是,基于流量计测量结果的介质尺度垂直K变化的整合可提高模拟水位下降的拟合优度大约30%。当采用简单粗化方法综合小尺度K数据约束数值模型的自动校准过程时,可观测到进一步的提高(达70%)。尽管分析集中在一个特殊的研究实例,但这些结果有助于人们根据抽水试验数据的解译深入了解水文地质特性估算值代表性,促进多尺度数据的整合以描述复杂水文地质背景下异质含水层的特征。

Resumo

Esse estudo investiga o impacto da complexidade do modelo e dados hidrogeológicos anteriores multiescala na interpretação dos dados do teste de bombeamento em aquífero de porosidade dual (o aquífero Chalk na Inglaterra, Reino Unido). Para caracterizar as propriedades hidrogeológicas, são aplicadas diferentes abordagens variando de uma solução analítica tradicional (abordagem de Theis) a modelos numéricos mais sofisticados com parâmetros de entrada calibrada automaticamente. Comparações dos resultados das abordagens diferentes mostram que nem soluções analíticas tradicionais nem modelos numéricos assumindo um aquífero isotrópico e homogêneo podem explicar adequadamente os rebaixamentos observados. Uma melhor reprodução dos rebaixamentos observados em todos os sete locais de monitoramento é ao invés atingido quando informações anteriores em escala local e média escala sobre a distribuição da condutividade hidráulica vertical (K) são utilizadas para restringir o processo de calibração do modelo. Em particular, a integração de variações K verticais em média escala baseadas nas medidas do medidor de fluxo levaram à melhora na qualidade dos ajustes dos rebaixamentos simulados em torno de 30%. Melhoramentos futuros (acima de 70%) foram observados quando uma abordagem refinada foi utilizada para integrar dados K de pequena escala para restringir o processo de calibração automática do modelo numérico. Embora o foco da análise seja em um estudo de caso especifico, esses resultados trazem compreensões sobre a representatividade das estimativas de propriedades hidrogeológicas baseadas nas diferentes interpretações de dados de teste de bombeamento, e promovem a integração de dados de em multiescala para a caracterização de aquíferos heterogêneos em configurações hidrogeológicas complexas.