Critical evaluation of vertical high resolution methods for determining hydraulic conductivity

Abstract

Environmental site investigations aim at delineating surface near (hydro-) stratigraphic units and their characterization. Knowledge about the spatial distribution of hydraulic conductivity (K) is the prerequisite for understand flow and fluid transport processes. Soil sampling and laboratory analysis of soil samples as well as the use of Direct Push (DP) technology are commonly applied methods for high resolution vertical characterization of sedimentary deposits.

The objective of this thesis is to provide a critical evaluation of these methods regarding their ability to reflect the structure of a complex sedimentary aquifer and their ability to predict K. Extensive field testing was conducted at different test site with focus of the field work at highly heterogeneous aquifer at the Bitterfeld test site.

Evaluation of methods to determine K from grain size analyses are based on the analyses of soil samples and multi level slug tests. Differences on calculated K between the different commonly applied formulas to calculate K were observed. Nevertheless, a high correlation was found between calculated and in situ measured K for most of the applied formulas. However, uncertainties that are associated with the (semi-) empirical nature of this method, heterogeneity of samples, and insufficient porosity estimates were identified to reduce the reliability of calculated K. DP tools and sensor probes proved to be a reliable and efficient alternative for characterizing complex sedimentary systems in this thesis. Despite resolution differences, all of the applied methods captured the main aquifer structure. Results show that it is possible to describe the aquifer hydraulic structure on less than a meter scale by combining DP slug test data and continuous DP profiling data. However, the appropriate tool has to be chosen and parameter relations are site specific. Correlation between of high resolution DP profiling and grain size data on a centimeter scale was not possible due the small scale soil variability at the Bitterfeld test site.

Die Erfassung und Charakterisierung oberflächennaher (hydro-)stratigraphischer Einheiten ist die Grundlage jeder umweltgeologischen Untergrunderkundung. Die Erfassung der räumlichen Verteilung der hydraulischen Leitfähigkeit (K) ist die Voraussetzung für Strömungs- und Transportmodellierungen. Bodenprobenahme und Laboruntersuchung sowie der Einsatz von Direct Push (DP) Verfahren sind häufig angewandte Methoden zur vertikal hochauflösenden Untergrunderkundung.

Das Ziel dieser Arbeit besteht in der kritischen Evaluierung dieser Methoden hinsichtlich ihrer Eignung zur Erfassung komplexer sedimentärer Ablagerungen und der Ermittlung von K. Der Hauptteil der Geländearbeiten konzentrierte sich auf die stark heterogenen Ablagerungen am Standort Bitterfeld. Die Auswertung von Bodenproben und Multilevel Slug Tests bildet die Grundlage für die Evaluierung von Methoden zur Berechnung von K aus Siebanalysen. Unterschiede zwischen den errechneten K-Werten ergaben sich dabei in Abhängigkeit der benutzten Verfahren. Nichtsdestotrotz konnte eine gute Korrelation zwischen gemessen und errechneten K-Werten für den Großteil der getesteten Verfahren nachgewiesen werden. Der (semi-) empirische Charakter, Heterogenität der Proben, Messungenauigkeit und ungeeignete Porositätsschätzungen verringern jedoch die Aussagekraft dieser Methoden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass DP Anwendungen und Sensorsonden eine zuverlässige und effiziente Alternative zur Untergrunderkundung komplexer sedimentärer Systeme darstellen. Trotz unterschiedlicher räumlicher Auflösungsvermögen konnten alle getesteten Methoden die sedimentäre Schichtenfolge in Bitterfeld erfassen. Diese Arbeit zeigt, dass die Kombination von DP Slug Test Daten und hochauflösenden DP Profilen eine hydraulische Charakterisierung von Grundwasserleitern mit einer Auflösung von unter einem Meter ermöglicht. Allerdings müssen die geeigneten DP Methoden gewählt werden und die ermittelten Parameter-Beziehungen sind nur lokal gültig. Aufgrund der starken Heterogenität der Ablagerungen in Bitterfeld ist eine Korrelation zwischen Siebdaten und hochauflösenden DP Daten im Zentimeterbereich nicht möglich.