Vertical hydraulic conductivity and layered heterogeneity: from measurements to models

Abstract

Published laboratory and field estimates of vertical hydraulic conductivity (K_v) and the anisotropy ratio (K_h/K_v, where K_h is horizontal hydraulic conductivity) have been compared with equivalent groundwater model values, mainly for sedimentary strata. The results show that model K_v values tend to be higher and K_h/K_v values tend to be lower than field estimates for vertical length scales ≥10 m, particularly for coarse-grained unlithified sediments. This difference is attributed to the widespread use of the assumption of K_h/K_v = 1 and particularly K_h/K_v = 10 in groundwater models, regardless of the length scale or strata type represented. The origin of the K_h/K_v = 10 assumption is obscure and not founded on rigorous data analysis. K_h/K_v, and by inference K_v, is frequently an unimportant parameter in model construction and calibration. On balance, this model artefact is attributed to the common reliance on summary head calibration statistics that hide the inadequacies of the MODFLOW paradigm (K_xx = K_yy = K_h, K_zz = K_v) when used for large-scale hydrostratigraphic units with uniform parameterization, fixed K_h/K_v, and 1 ≤ K_h/K_v ≤ 10. However, thin, high-permeability aquifer models or well-defined aquifer/aquitard models are examples where such simplifying assumptions for K_h/K_v are workable, given groundwater quantity objectives. More realistic model values of K_v and K_h/K_v at length scales greater than field estimates could be obtained by independent calibration of K_v and K_h, use of larger-scale field estimates of K_v and multi-level piezometer/observation wells, and calibration to vertical head gradients separate from summary head calibration statistics.

Résumé

Les estimations publiées en laboratoire et sur le terrain de la conductivité hydraulique verticale (K_v) et du rapport d’anisotropie (K_h/K_v, où K_h est la conductivité hydraulique horizontale) ont été comparées aux valeurs équivalentes d’un modèle d’écoulements d’eau souterraine, principalement pour les couches sédimentaires. Les résultats montrent que les valeurs K_v du modèle ont tendance à être plus élevées et que les valeurs K_h/K_v ont tendance à être inférieures aux estimations de terrain pour des échelles de longueur verticale ≥ 10 m, en particulier pour les sédiments non lithifiés à grains grossiers. Cette différence est attribuée à l’utilisation généralisée de l’hypothèse que K_h/K_v est égal à 1 et en particulier que K_h/K_v = 10 dans les modèles d’écoulements d’eau souterraine, quelle que soit l’échelle de longueur ou le type de strate représenté. L’origine de l’hypothèse que K_h/K_v = 10 est vague et n’est pas fondée sur une analyse rigoureuse des données. K_h/K_v, et par déduction K_v, est souvent un paramètre sans importance dans la construction et l’étalonnage du modèle. Dans l’ensemble, cet artefact du modèle est attribué au recours fréquent à des statistiques récapitulatives d’étalonnage de la charge hydraulique qui masquent les insuffisances du paradigme MODFLOW (K_xx = K_yy = K_h, K_zz = K_v) lorsqu’il est utilisé pour des unités hydrostratigraphiques à grande échelle avec un paramétrage uniforme, K_h/K_v fixe et 1 ≤ K_h/K_v ≤ 10. Cependant, les modèles d’aquifères peu épais à perméabilité élevé ou les modèles d’aquifères/aquitards bien définis sont des exemples où de telles hypothèses simplificatrices pour K_h/K_v sont réalisables, compte tenu des objectifs de quantité d’eau souterraine. Des valeurs de modèle plus réalistes de K_v et K_h/K_v à des échelles de longueur supérieures aux estimations de terrain pourraient être obtenues par une calibration indépendante de K_v et K_h, l’utilisation d’estimations de terrain à plus grande échelle de K_v et de piézomètres /puits d’observation à plusieurs niveaux, et une calibration considérant les gradients hydrauliques verticaux de tête distincts des statistiques sommaires de calibration de la charge hydraulique.

Resumen

Se han comparado estimaciones publicadas de laboratorio y de campo de la conductividad hidráulica vertical (K_v) y de la relación de anisotropía (K_h/K_v, donde K_h es la conductividad hidráulica horizontal) con valores equivalentes de modelos de aguas subterráneas, principalmente para estratos sedimentarios. Los resultados muestran que los valores K_v del modelo tienden a ser mayores y los valores K_h/K_vtienden a ser menores que las estimaciones de campo para escalas de longitud vertical ≥10 m, particularmente para sedimentos no litificados de grano grueso. Esta diferencia se atribuye al uso generalizado de la hipótesis de K_h/K_v = 1 y en particular K_h/K_v = 10 en los modelos de aguas subterráneas, independientemente de la escala de longitud o del tipo de estrato representado. El origen de la hipótesis K_h/K_v = 10 es confuso y no se basa en un análisis riguroso de los datos. K_h/K_v, y por inferencia K_v, es con frecuencia un parámetro sin importancia en la construcción y calibración de modelos. En general, este error del modelo se atribuye a la dependencia común en las estadísticas de calibración de la carga de resumen que ocultan las deficiencias del paradigma MODFLOW (K_xx = K_yy = K_h, K_zz = K_v) cuando se utiliza para unidades hidroestratigráficas a gran escala con parametrización uniforme, K_h/K_v fijo, y 1 ≤ K_h/K_v ≤ 10. Sin embargo, los modelos de acuíferos finos de alta permeabilidad o los modelos de acuífero/acuitardos bien definidos son ejemplos en los que estas hipótesis que simplifican K_h/K_v son viables, dados los objetivos de cantidad de agua subterránea. Podrían obtenerse valores del modelo más realistas de K_v y K_h/K_v a escalas de longitud mayores que las estimaciones de campo mediante la calibración independiente de K_v y K_h, el uso de estimaciones de campo a mayor escala de K_v y de pozos piezométricos/de observación de varios niveles, y la calibración a gradientes de altura verticales separados de las estadísticas de calibración de altura resumidas.

摘要

发表的实验室和现场垂向渗透系数(K_v)以及各向异性比例(K_h/K_v, 其中K_h是水平渗透系数)的估算值, 已与主要针对沉积地层的等效地下水模型值进行了比较。结果显示, 对于垂向长度尺度≥10米的情况, 模型中的K_v值往往比现场估算值高, 而K_h/K_v值往往比现场估算值低, 特别是对于粗粒非岩化沉积物。这种差异被归因于在地下水模型中普遍使用K_h/K_v = 1, 特别是K_h/K_v = 10的假设, 不考虑代表的长度尺度或地层类型。K_h/K_v = 10假设的起源是不明确的, 并没有基于严格的数据分析。在模型构建和校准中, K_h/K_v, 以及推断的K_v, 常常是不重要的参数。总体而言, 这种模型错误被归咎于对总结头部校准统计数据的普遍依赖, 这些统计数据掩盖了在使用MODFLOW范例(K_xx = K_yy = K_h, K_zz = K_v)针对具有统一参数化、固定K_h/K_v, 并且1 ≤ K_h/K_v ≤ 10的大尺度水文地层单位时的不足。然而, 薄层高渗透性含水层模型或者定义明确的含水层/隔水层模型是K_h/K_v简化假设可行的例子, 前提是基于地下水量目标。通过独立校准K_v和K_h, 使用大尺度现场估算的K_v以及多层水准管/观测井, 并且校准到与总结头部校准统计数据分离的垂直头部梯度, 可以获得比现场估算更大长度尺度上更现实的模型K_v和K_h/K_v值。

Resumo

As estimativas publicadas em laboratório e em campo da condutividade hidráulica vertical (K_v) e da razão de anisotropia (K_h/K_v, onde K_h é a condutividade hidráulica horizontal) foram comparadas com valores equivalentes do modelo de águas subterrâneas, principalmente para estratos sedimentares. Os resultados mostram que os valores de Kv do modelo tendem a ser mais elevados e os valores de K_h/K_v tendem a ser mais baixos do que as estimativas de campo para escalas de comprimento vertical ≥10 m, particularmente para sedimentos não litificados de granulação grossa. Esta diferença é atribuída ao uso generalizado do pressuposto de K_h/K_v = 1 e particularmente K_h/K_v = 10 em modelos de águas subterrâneas, independentemente da escala de comprimento ou do tipo de estrato representado. A origem da suposição K_h/K_v = 10 é obscura e não se baseia em análises rigorosas de dados. K_h/K_v, e por inferência K_v, é frequentemente um parâmetro sem importância na construção e calibração de modelos. Em suma, este artefato do modelo é atribuído à confiança comum em estatísticas resumidas de calibração de cabeça que escondem as inadequações do paradigma MODFLOW (K_xx = K_yy = K_h, K_zz = K_v) quando usado para unidades hidroestratigráficas de grande escala com parametrização uniforme, K_h/K_v, e 1 ≤ K_h/K_v ≤ 10. No entanto, modelos de aquíferos finos e de alta permeabilidade ou modelos de aquíferos/aquitardos bem definidos são exemplos em que tais suposições simplificadoras para K_h/K_v são viáveis, dados os objetivos de quantidade de água subterrânea. Valores de modelo mais realistas de K_v e K_h/K_v em escalas de comprimento maiores do que as estimativas de campo poderiam ser obtidos por calibração independente de K_v e K_h, uso de estimativas de campo em maior escala de K_v e piezômetros/poços de observação multiníveis, e calibração para vertical gradientes de carga hidráulica separados das estatísticas resumidas de calibração de carga hidráulica.