Variations in hydraulic conductivity with scale of measurement during aquifer tests in heterogeneous, porous carbonate rocks

Abstract

 Previous studies have shown that hydraulic conductivity of an aquifer seems to increase as the portion of the aquifer tested increases. To date, such studies have all relied on different methods to determine hydraulic conductivity at each scale of interest, which raises the possibility that the observed increase in hydraulic conductivity is due to the measurement method, not to the scale. This study analyzes hydraulic conductivity with respect to scale during individual aquifer tests in porous, heterogeneous carbonate rocks in southeastern Wisconsin, USA. Results from this study indicate that hydraulic conductivity generally increases during an individual test as the volume of aquifer impacted increases, and the rate of this increase is the same as the rate of increase determined by using different measurement methods. Thus, scale dependence of hydraulic conductivity during single tests does not depend on the method of measurement. This conclusion is supported by 22 of 26 aquifer tests conducted in porous-flow-dominated carbonate units within the aquifer. Instead, scale dependency is probably caused by heterogeneities within the aquifer, a conclusion supported by digital simulation. All of the observed types of hydraulic-conductivity variations with scale during individual aquifer tests can be explained by a conceptual model of a simple heterogeneous aquifer composed of high-conductivity zones within a low-conductivity matrix.

Résumé

Certaines études ont montré que la conductivité hydraulique d'un aquifère semble augmenter en même temps que la partie testée de l'aquifère s'étend. Jusqu'à présent, ces études ont toutes reposé sur des méthodes de détermination de la conductivité hydraulique différentes pour chaque niveau d'échelle, ce qui a conduit à penser que l'augmentation observée de la conductivité hydraulique pouvait être due aux méthodes de mesure et non à l'effet d'échelle. Cette étude analyse la conductivité hydraulique par rapport au niveau d'échelle au cours d'essais de nappe individuels, dans des roches carbonatées poreuses, hétérogènes du sud-est du Wisconsin (Etats-Unis). Les résultats obtenus indiquent que la conductivité hydraulique augmente en général au cours d'un essai individuel en même temps que le volume d'aquifère concerné augmente, et que le taux d'augmentation est le même que celui déterminé en utilisant différentes méthodes de mesures. Ainsi, le fait que la conductivité hydraulique dépende de l'échelle d'observation au cours d'essais uniques ne résulte pas de la méthode de mesure. Cette conclusion est confirmée par 22 essais de nappe sur 26 entrepris dans des unités carbonatées àécoulement poreux dominant dans l'aquifère. En revanche, cette dépendance du niveau d'échelle est probablement due aux hétérogénéités existant dans l'aquifère, conclusion confortée par une simulation. Tous les types de variations de conductivité hydraulique en fonction de l'échelle au cours d'essais de nappe peuvent être expliqués par un modèle conceptuel d'aquifère hétérogène simple constitué par des zones à forte conductivitéà l'intérieur d'une matrice à faible conductivité.

Resumen

Estudios previos han mostrado que la conductividad hidráulica (K) de un acuífero parece crecer con el volumen ensayado. Hasta ahora, estos estudios se han basado en la utilización de métodos distintos para la determinación de la conductividad hidráulica a cada escala de interés, lo que hace pensar en la posibilidad de que este aumento observado sea debido a la variación en el método de medida y no al cambio de escala. Este estudio analiza el valor de K en función de la escala a partir de ensayos individuales en rocas carbonatadas heterogéneas y porosas al sudeste de Wisconsin, EEUU. Los resultados de este estudio indican que la K obtenida en ensayos individuales crece generalmente al aumentar el volumen de acuífero implicado en el ensayo, y que la tasa de crecimiento es la misma que se determinaría usando diferentes métodos. Por tanto, la dependencia de la conductividad hidráulica con la escala en ensayos aislados no depende del método de medida. Esta conclusión está refrendada por 22 de los 26 ensayos llevados a cabo en las unidades carbonatadas más porosas del acuífero. Por el contrario, la dependencia con la escala está causada probablemente por las heterogeneidades en el propio acuífero, lo que se corrobora con simulaciones digitales. Todos los tipos de variaciones de K con la escala observados para los ensayos individuales se pueden explicar mediante un modelo conceptual simple que supone un acuífero heterogéneo compuesto por zonas de alta conductividad embebidas en una matriz poco conductiva.