Methods for determining the in situ hydraulic conductivity of shallow aquitards – an overview

Abstract.

Shallow clay-rich aquitards limit groundwater recharge to underlying aquifers, but they also protect the aquifers from contamination. The bulk hydraulic conductivity of such shallow aquitards can range from less than 1 mm/year to more than 100 m/year and may be much greater than the hydraulic conductivity of small intact samples of the aquitard material. This enhanced hydraulic conductivity diminishes the qualities of the aquitards for the protection of underlying aquifers but allows a higher rate of recharge. For aquifers that are overlain by aquitards, management and protection of groundwater resources may be critically dependent on reliable determinations of aquitard permeability.

A variety of methods for determining bulk hydraulic conductivities of shallow clay aquitards is available; each has drawbacks and advantages, and each is based on simplifying assumptions. These methods include slug tests, pumping tests, response of the aquitard to mechanical loading, and analysis of natural pore-pressure fluctuations. Several of the commonly used methods require an independent measurement of specific storage. Laboratory methods for determining specific storage are probably not representative of in situ conditions and may lead to overestimation of aquitard permeability. Much of the theory developed to date depends on the assumption that horizontal displacement of the solid material is negligible, and this may not be a valid assumption for highly deformable media such as clay aquitards. However, with judicious selection of the most suitable methods for a particular site, good test design, careful instrumentation, and respect for the underlying assumptions, reliable determinations of aquitard permeability can be obtained.

Résumé.

Des imperméables peu profonds riches en argiles limitent la recharge d'aquifères sous-jacents; mais ils protègent également les aquifères des contaminations. La conductivité hydraulique globale de tels imperméables peu profonds peut prendre des valeurs de moins de 1 mm/an à plus de 100 m/an; elle peut être beaucoup plus forte que la conductivité hydraulique de petits échantillons non perturbés du matériau imperméable. Cette conductivité hydraulique accrue diminue les qualités de ces imperméables pour protéger les aquifères sous-jacents, mais permet une plus forte recharge. Pour les aquifères qui sont recouverts par des imperméables, la gestion et la protection des ressources en eaux souterraines peuvent dépendre de façon critique de déterminations fiables de la perméabilité de l'imperméable.

Il existe des méthodes variées pour déterminer les conductivités hydrauliques globales d'imperméables argileux peu profonds; chacune offre des avantages et des inconvénients et chacune s'appuie sur des hypothèses simplificatrices. Parmi ces méthodes, on trouve les slug tests, les essais de pompage, la réponse de l'imperméable à une surcharge mécanique et l'analyse des fluctuations naturelles de pression porale. Plusieurs des méthodes habituellement utilisées nécessitent une mesure indépendante de l'emmagasinement spécifique. Des méthodes de laboratoire pour déterminer l'emmagasinement spécifique ne sont probablement pas représentatives des conditions in situ et peuvent conduire à une surestimation de la perméabilité de l'imperméable. La plus grande partie de la théorie développée pour dater dépend de l'hypothèse selon laquelle le déplacement horizontal du matériau solide est négligeable; ce n'est peut-être pas une hypothèse valable pour un milieu fortement déformable tel que les imperméables argileux. Cependant, à partir d'une sélection judicieuse des méthodes les plus appropriées pour un site particulier, un bon modèle d'essai, une instrumentation soignée et un respect des hypothèses de base, des déterminations fiables de la perméabilité de l'imperméable peuvent être obtenues.

Resumen.

Los acuitardos arcillosos con altos contenidos de arcilla limitan la recarga a los acuíferos infrayacentes, pero también los protegen de la contaminación. La conductividad hidráulica promedio de dichos acuitardos someros puede variar entre menos de 1 mm/a y más de 100 m/a, y puede llegar a ser mucho mayor que la conductividad hidráulica de pequeñas muestras intactas del material acuitardo. Esta conductividad hidráulica aumentada disminuye la capacidad de los acuitardos para proteger los acuíferos, pero posibilita una mayor tasa de recarga. La gestión y protección de los recursos de los acuíferos semiconfinados pueden depender de forma crítica de la fiabilidad de las estimaciones de permeabilidad del acuitardo.

Existen varios métodos para determinar la conductividad hidráulica promedio de acuitardos arcillosos someros. Todos ellos tienen ventajas e inconvenientes y se basan en hipótesis simplificadoras. Entre los métodos disponibles, se puede citar los ensayos de cuchareo, los ensayos de bombeo, la respuesta de los acuitardos a cargas mecánicas y el análisis de las fluctuaciones naturales de la presión a escala de poro. Varios de los métodos utilizados habitualmente requieren de medidas independientes del coeficiente de almacenamiento específico. Los métodos de laboratorio existentes no son probablemente los más representativos de las condiciones de campo y pueden conducir a sobreestimaciones de la permeabilidad del acuitardo. Gran parte de las teorías existentes hasta la fecha se basan en la suposición de que el desplazamiento horizontal del material sólido es despreciable, cosa que puede nos ser válida en medios muy deformables, tales como los acuitardos arcillosos. No obstante, se pueden obtener determinaciones fiables de la permeabilidad del acuitardo mediante una selección juiciosa de los métodos más apropiados en cada caso, junto con un buen diseño de los ensayos, una instrumentación cuidadosa y respeto por las hipótesis de partida.