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Hydraulic Tomography: A New Approach Coupling Hydraulic Travel Time, Attenuation and Steady Shape Inversions for High-Spatial Resolution Aquifer Characterization

dc.contributor.advisorBrauchler, Ralf Dr.de
dc.contributor.authorHu, Ruide
dc.date.accessioned2011-05-23T15:23:43Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T11:22:48Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:13Zde
dc.date.issued2011-05-23de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B2F7-Ede
dc.description.abstractHydraulische Laufzeit-, Dämpfungs- und steady shape -Inversionen sind komplementäre Methoden zur tomographischen Charakterisierung des Grundwasserleiters. In dieser Arbeit wird eine kombinierte Methode vorgestellt, die die Bestimmung der räumlichen Verteilung von hydraulischer Leitfähigkeit, Diffusivität und Speicherkoeffizient in heterogenen Grundwassersystemen erleichtert. Deren Anwendung erfolgt zunächst auf einen stark heterogenen fluvio-klastischen Aquifer-Analog, welcher als zwei- und dreidimensionale Fallstudie in einem numerischen Strömungsmodell implementiert wurde. Durch Interpretation der Beobachtun-gen von mehreren simulierten Kurzzeitpumpversuchen ist es möglich, das Aquifer-Analog sukzessiv in zwei und drei Dimensionen zu rekonstruieren. Endgültige Ergebnisse zeigen das hohe Potenzial des kombinierten Verfahrens zur Ermittlung der dominanten strukturellen Elemente sowie der Zusammensetzung der fluvio-klastischen Ablagerung. Anschließend wird dieser tomographische Auswerteansatz in einem Naturtestfeld angewendet und beurteilt. Als Datenbasis dienen, wie schon bei der numerischen Fallstudie, Kurzzeitpumpversuche. Die erfolgreiche zweidimensionale hochaufgelöste Aquiferrekonstruktion, sowie die gute Übereinstimmung zwischen den einzelnen Inversionsergebnissen, beweist die Zuverlässigkeit dieses gekoppelten Inversionsschemas für die räumliche Charakterisierung eines Grundwasserleiters. Neben dem hydraulisch-tomographischen Ansatz sind auch zahlreiche traditionelle Methoden für die Charakterisierung des Grundwasserleiters in diesem Testfeld angewendet worden. Die Ergebnisse, die aus 103 Korngrößenanalysen, 57 analytischen Auswertungen von Pumpversuchen, 241 analytischen Auswertungen von Slug-Tests und 9 Durchbruchskurvenanalysen von Markierungsversuchen abgeleitet wurden, stimmen mit den Inversionsergebnissen überein. Schließlich sind die zweidimensionalen Inversionsergebnisse mit den Erg! ebnissen der dreidimensionalen Inversion, welche auf Cross-well Slugtests basieren, verglichen worden. Die hohe Übereinstimmung zwischen den Ergebnissen der verschiedenen Inversionen unterstreicht das Potential der hydrauli-schen Tomographie zur Aquiferrekonstruktion. Dennoch weist dieser kombinierte Ansatz Einschränkungen auf, die sich aus der Auflösung der hydraulischen Laufzeittomographie ergeben. Kleinmaßstäbliche Schwankungen der hydraulischen Leitfähigkeit sind kaum bei hoher Diskrepanz aufzulösen. Für eine hochskalierte Rekonstruktion im Sub-Meter Umfang ist die neue gekoppelte Methode jedoch sehr attraktiv. Repräsentative Parameterwerte können in solch einer anspruchsvollen Studie auf rechnerisch effiziente Weise abgeschätzt werden. Des Weiteren können die Parameterzonierungen, die aus den durchgeführten Inversionen abgeleitet wurden, als Ausgangsmodell für weitere Untersuchungen dienen, mit dem Ziel, die Heterogenität mehrskalig aufzulösen.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleHydraulic Tomography: A New Approach Coupling Hydraulic Travel Time, Attenuation and Steady Shape Inversions for High-Spatial Resolution Aquifer Characterizationde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedHydraulische Tomographie: Ein neuer Ansatz, zur Verknüpfung von hydraulischer Laufzeit-, Dämfungs- und Steady Shape -Inversion, zur räumlich hochaufgelösten Aquifercharakterisierungde
dc.contributor.refereeSauter, Martin Prof. Dr.de
dc.date.examination2011-05-03de
dc.subject.dnb550 Geowissenschaftende
dc.description.abstractengHydraulic travel time, attenuation, and steady shape inversions are complementary methods for tomographic aquifer characterization. In this work, a coupled procedure is pre-sented that facilitates the determination of the spatial distribution of hydraulic conductivity, diffusivity, and specific storage in heterogeneous groundwater systems. The procedure is first applied to a highly heterogeneous sedimentary aquifer analogue that is implemented as a two- and three-dimensional case study in a numerical flow model. By interpreting the observations from multiple simulated short-term pumping tests, the analogue is successively reconstructed in two and three dimensions. Final results demonstrate the high potential of the coupled procedure for identifying the dominant structural elements and the composition of the sedimentary deposit. Consequently, the coupled inversion scheme is assessed at a field test site. As in the numerical study, the data set for the inversion is derived from a series of short-term pumping tests. The successful two-dimensional high-resolution aquifer reconstruction, as well as the substantial agreement between the individual inversion results, strongly proves the reliability of this coupled inversion scheme for spatial aquifer characterization. As well as the hydraulic tomography approach, numerous traditional methods are also used for the aquifer characterization at this test site. The results from the analyses of 103 grain size distributions, 57 pumping test response curves, 241 slug test response curves and 9 tracer test breakthrough curves are consistent with the inversion results as well. Finally, the two-dimensional inversion results are compared with the three-dimensional inversion results based on cross-well slug tests. The agreement between the inversion results strongly p! roves the potential of hydraulic tomography for spatial aquifer reconstruction. This coupled approach also shows the limits which are imposed by the resolution of hy-draulic travel time tomography. Small scale variability of hydraulic conductivity with high discrepancies can hardly be resolved. Still, the new coupled scheme is very attractive for an up-scaled reconstruction on the sub-meter scale. For the exigent case study, representative parameter values may be estimated in a computationally efficient way and the zonations derived from the performed inversions can serve as a starting model for further investigations with the goal to resolve the multi scale heterogeneity.de
dc.contributor.coRefereeLiedl, Rudolf Prof. Dr.de
dc.subject.topicGeosciences and Geographyde
dc.subject.gerHydraulische Tomographiede
dc.subject.gerInversionstheoriede
dc.subject.gerAquifer-Analogde
dc.subject.gerAquifercharakterisierungde
dc.subject.gerHydraulische Versuchede
dc.subject.engHydraulic tomographyde
dc.subject.engInversion theoryde
dc.subject.engAquifer analoguede
dc.subject.engAquifer characterizationde
dc.subject.engHydraulic testsde
dc.subject.bk38.86de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2977-7de
dc.identifier.purlwebdoc-2977de
dc.affiliation.instituteFakultät für Geowissenschaften und Geographiede
dc.subject.gokfullVBQ 100: Methodikde
dc.subject.gokfullUntersuchungsverfahren und Instrumente {Hydrogeologie}de
dc.subject.gokfullVBQ 200: Grundwassermodelle {Hydrogeologie}de
dc.subject.gokfullVBQ 300: Grundwasserbewegung {Hydrogeologie}de
dc.subject.gokfullVBQ 400: Grundwassergefährdung {Hydrogeologie}de
dc.subject.gokfullVBQ 800: Aquifere {Hydrogeologie}de
dc.identifier.ppn663405920de


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