Using Electrical Resistivity Tomography and Self-potential Methods for Wells Implementations in Fractured Limestones

in EarthDoc - Near Surface 2009 – 15th European Meeting of Environmental and Engineering Geophysics (2009, September 09)

Electrical resistivity tomography (ERT) and self-potential (SP) investigations were conducted in fractured limestones in Belgium. The aim of this study was to find suitable positions for high yield water ... [more ▼]

Electrical resistivity tomography (ERT) and self-potential (SP) investigations were conducted in fractured limestones in Belgium. The aim of this study was to find suitable positions for high yield water wells. Large ERT profiles (640 meters) allowed us to image the resistivity distribution of the first 60 meters of the subsurface and to detect and characterize (in terms of direction, width and depth) fractured zones expected to be less resistive. Data errors, DOI indexes and sensitivity models were analysed in order to calculate the depth of investigation of ERT and to avoid the misinterpretation of the resulting images. Self-potential measurements were performed along electrical profiles to narrow the possible locations given by the electrical images. Some negative anomalies possibly related to preferential flow were detected. ‘Ground truth’ geological data as well as pumping tests information gave us a way to assess the contribution of geophysics to a drilling programme. Wells implemented in low resistivity zones associated with SP anomalies have very high yields. Inversely, wells drilled in resistive zones or outside SP anomalies have poorer capacities. An apparent coupling coefficient between SP signals and differences in hydraulic heads was also estimated in order to image the water table. [less ▲]

Etude et modélisation des impacts hydrologiques de pluies exceptionnelles dans un environnement vallonné et boisé

Report (2009)

Le jeudi 29 mai 2008 a eu lieu en région liégeoise un événement pluvieux extrême qui a eu des conséquences (humaines et financières) douloureuses. Pour rappel, une pluie de courte durée, mais très intense ... [more ▼]

Le jeudi 29 mai 2008 a eu lieu en région liégeoise un événement pluvieux extrême qui a eu des conséquences (humaines et financières) douloureuses. Pour rappel, une pluie de courte durée, mais très intense (lame d’eau d’environ 90 litres par mètre carré en moins de 2 heures) sur le domaine du Sart Tilman a provoqué des inondations très soudaines (communément appelées « flash-floods ») aux abords des ruisseaux descendant du Sart Tilman vers la Meuse et l’Ourthe. Des évènements du même type ont eu lieu dans les semaines suivantes en région liégeoise (Remicourt, …). La méthodologie développée lors cette étude devait donc être transférable à d’autres applications. Le choix du Sart Tilman comme cas d’étude s’imposait cependant vu la bonne connaissance préliminaire du site par les équipes de l’ULg et la concentration des phénomènes extrêmes. Un tel évènement interpelle et amène à chercher à comprendre le phénomène, à le reproduire de façon théorique et à l’anticiper. Ainsi, à l’initiative de la Ministre de la recherche scientifique de la Communauté Française (Marie-Dominique Simonet), l’Aquapôle a fédéré un travail multidisciplinaire visant à décrire les mécanismes de ces événements extrêmes et à reproduire les impacts hydrologiques de ces pluies exceptionnelles à l’échelle locale, dans un environnement boisé et vallonné. Un des objectifs principaux de ce travail était d’obtenir une méthodologie incluant un modèle intégré permettant d’abord de représenter l’évènement, puis par la simulation de scénarios de tester l’effet spécifique de certains facteurs. En effet, outre la complexité de la dynamique météorologique qui les a générés (ces événements exceptionnels ont présenté des caractéristiques homogènes mais à une échelle très locale), les conséquences de l’évènement ont été le fruit de la combinaison complexe d’une série de facteurs environnementaux et humains : nature des sols, topographie locale, couverture végétale, ouvrages anthropiques et urbanisation, etc. De plus, pour effectuer une modélisation hydrologique physiquement basée et spatialement distribuée, il est nécessaire de disposer de nombreuses informations issues de sources différentes. L’approche pluridisciplinaire exigée pour la rencontre de ces phénomènes a pu être rapidement appréhendée à l’Aquapôle de l’Université de Liège. En particulier, l’existence de modèles compartimentaux intégrés a permis de tenir compte de la dynamique des bassins versants, de la nature hydrogéologique des sols et de la complexité des écoulements de surface et/ou sur l’axe hydraulique. Cette approche de modélisation opérationnelle et pragmatique a tout d’abord nécessité la collecte et la préparation d’un grand nombre de données (dans les environnements cartographiques appropriés) afin d’alimenter les modèles et de créer des bases de données. Ce volet a impliqué un noyau d’équipes composées de topo-climatologues, de topographes, d’hydrauliciens, d’hydrogéologues et d’intégrateurs numériques de façon à prendre en considération l’ensemble des processus et paramètres pertinents à l’atteinte de l’objectif visé. Sur base de la description des processus et de leurs dynamiques spatiale et temporelle ayant abouti à ces catastrophes, l’Aquapôle a pu reproduire et mettre en évidence les événements grâce à des outils de simulations numériques s’appuyant sur une description fine de la météorologie et de la topographie locale, des ouvrages d’art existants et des spécificités locales de toute nature (anthropiques et naturelles). Le dernier volet de cette étude a été dédié à l’élaboration intégrée de scénarios de simulation pour l’utilisation du modèle WOLF HYDRO : un modèle hydrologique spatialement et temporellement distribué qui est principalement développé pour représenter les transferts quasi horizontaux prépondérants en périodes de crues. Son approche physiquement basée lui permet d’utiliser au mieux les différentes informations disponibles. Il a été utilisé dans cette étude, en s’appuyant sur les informations générées par les autres équipes. Pour les trois bassins versants étudiés, de caractéristiques sensiblement différentes, la méthodologie employée permet d’aboutir à des hydrogrammes réalistes pour l’épisode du 29 mai 2008. Des scénarios multiples ont également permis de vérifier la sensibilité du modèle, de tester l’influence d’aménagements potentiels sur le bassin versant (changements d’occupation des sols, création de bassins d’orage, …) et de fournir des résultats pour des pluies de récurrences fixées d’une durée proche de l’événement principal. Les observations réalisées lors de l’événement et les résultats de la modélisation permettent de conclure au fait que l’événement de mai 2008 est véritablement extrême et qu’aucun équipement raisonnable n’aurait pu aboutir à un affaiblissement significatif des débits observés aux exutoires des ruisseaux. Les pics de crues sont en effet parfois proches du double de ceux observés pour une crue bi-centennale. Ainsi, lors d’un tel événement, seul un aménagement prudent de l’habitat aux abords des ruisseaux peut amener à une réduction des dommages matériels. En effet, la délivrance de permis d’urbanisme sur le cours d’eau ou à son voisinage immédiat aggrave les conséquences de ces phénomènes exceptionnels. Enfin, conformément à la notification du Gouvernement Wallon (séance du 3 juin 2009), les résultats de la recherche FL², confiée par la Communauté Française à l’ULg, seront intégrés dans les travaux du GTI (Groupe Transversal Inondations). Ces résultats ont fait l’objet d’une présentation collégiale au GTI le 5 octobre 2009 et d’une présentation à destination des communes et d’un public large et ouvert le 19 novembre 2009. [less ▲]

Numerical simulation of heat transport associated with groundwater pumping in an alluvial aquifer

Conference (2009, September)

In a context more favourable to renewable energies, various aquifers are studied to feed heating and/or cooling systems. The groundwater flow and heat transport are modelled in the alluvial aquifer of the ... [more ▼]

In a context more favourable to renewable energies, various aquifers are studied to feed heating and/or cooling systems. The groundwater flow and heat transport are modelled in the alluvial aquifer of the river Meuse in order to provide an integrated tool for assessing the feasibility of a low energy air cooling /heating system for a large office building by pumping groundwater and discharging in the river. First, a comparative sensitivity analysis is performed using three different codes (MT3D, SHEMAT and HYDROGEOSHERE) for assessing the influence of coupling and non linearities in the main parameters due to the temperature evolution in function of time. Then, assuming that the variations of the aquifer temperature are weak enough to neglect their influence on hydrodynamics and thermal parameters, the MT3D and HYDROGEOSPHERE codes are used for modelling the actual case-study. In practice, for cooling the office building with groundwater initially at 13°C, the main influence of the relative hot water from the river Meuse (in hot summer conditions 27°C) is computed and constitutes the major limiting factor. An optimisation of the pumping schema is computed to maximise the efficiency of the cooling/heating system. [less ▲]

Usine Knauff Insulation à Visé – Etude d’incidences sur l'environnement - partim Eaux Souterraines

Report (2009)

Ground water flow simulation in mining works: Application of the Hybrid Finite Element Mixing Cell method

Conference (2009, April 22)

Hydrogeological models can greatly help simulating groundwater flow in the particular context of mining works. However, classical modeling techniques are not so suited in this context because the medium ... [more ▼]

Hydrogeological models can greatly help simulating groundwater flow in the particular context of mining works. However, classical modeling techniques are not so suited in this context because the medium is strongly disturbed by shafts and networks of galleries. Consequently, specific modeling techniques have been developed. Box model techniques require only few parameters but they calculate only mean water levels in exploited zones and do not consider interactions between exploited and unexploited zones. Conversely, physically-based and spatially-distributed techniques represent explicitly both exploited and unexploited zones and take into account interactions between them but they require a lot of parameters sometimes difficult to estimate. The Hybrid Finite Element Mixing Cell (HFEMC) method is a new modeling technique constituting a compromise between simple and complex techniques used in mining context. The principle of this method is to fully couple a representation of exploited zones by a group of mixing cells possibly interconnected by pipes and a representation of unexploited zones by classical finite elements. Interactions between mixing cells and finite elements of the mesh are taken into account through 3rd type (Fourier) internal boundary conditions. With this method, exploited zones are characterized by mean water levels while spatially-distributed hydraulic heads are calculated for the entire adjacent and overlaying unexploited zones. Additionally, thanks to the coupling between mixing cells and finite elements, water exchanges between exploited and unexploited zones are explicitly taken into account. The HFEMC method allows also simulating groundwater rebound following mine closure and associated phenomena such as water inrushes. Concepts and equations of the HFEMC method are presented and illustrated using test cases. First results of an application on an abandoned coalfield in the region of Liege (Belgium) are also proposed. [less ▲]

Assessment of nitrate trends in groundwater using the regional scale HFEMC approach

Conference (2009, April)

Impact of climate change on groundwater resources: the case of the Geer basin

Poster (2009, April)

Sensitivity analysis of prior model probabilities and the value of prior knowledge in the assessment of conceptual model uncertainty in groundwater modelling

in Hydrological Processes (2009), 23

A key point in the application of multi-model Bayesian averaging techniques to assess the predictive uncertainty in groundwater modelling applications is the definition of prior model probabilities, which ... [more ▼]

A key point in the application of multi-model Bayesian averaging techniques to assess the predictive uncertainty in groundwater modelling applications is the definition of prior model probabilities, which reflect the prior perception about the plausibility of alternative models. In this work the influence of prior knowledge and prior model probabilities on posterior model probabilities, multi-model predictions, and conceptual model uncertainty estimations is analysed. The sensitivity to prior model probabilities is assessed using an extensive numerical analysis in which the prior probability space of a set of plausible conceptualizations is discretized to obtain a large ensemble of possible combinations of prior model probabilities. Additionally, the value of prior knowledge about alternative models in reducing conceptual model uncertainty is assessed by considering three example knowledge states, expressed as quantitative relations among the alternative models. A constrained maximum entropy approach is used to find the set of prior model probabilities that correspond to the different prior knowledge states. For illustrative purposes, a three-dimensional hypothetical setup approximated by seven alternative conceptual models is employed. Results show that posterior model probabilities, leading moments of the predictive distributions and estimations of conceptual model uncertainty are very sensitive to prior model probabilities, indicating the relevance of selecting proper prior probabilities. Additionally, including proper prior knowledge improves the predictive performance of the multi-model approach, expressed by reductions of the multi-model prediction variances by up to 60% compared with a non-informative case. However, the ratio between-model to total variance does not substantially decrease. This suggests that the contribution of conceptual model uncertainty to the total variance cannot be further reduced based only on prior knowledge about the plausibility of alternative models. These results advocate including proper prior knowledge about alternative conceptualizations in combination with extra conditioning data to further reduce conceptual model uncertainty in groundwater modelling predictions. [less ▲]

Application of multiple-point geostatistics on modelling groundwater flow and transport in a cross-bedded aquifer

in Hydrogeology Journal (2009), 17(8), 1901-1911

Sedimentological processes often result in complex three-dimensional subsurface heterogeneity of hydrogeological parameter values. Variogram-based stochastic approaches are often not able to describe ... [more ▼]

Sedimentological processes often result in complex three-dimensional subsurface heterogeneity of hydrogeological parameter values. Variogram-based stochastic approaches are often not able to describe heterogeneity in such complex geological environments. This work shows how multiple-point geostatistics can be applied in a realistic hydrogeological application to determine the impact of complex geological heterogeneity on groundwater flow and transport. The approach is applied to a real aquifer in Belgium that exhibits a complex sedimentary heterogeneity and anisotropy. A training image is constructed based on geological and hydrogeological field data. Multiple-point statistics are borrowed from thistraining image to simulate hydrofacies occurrence, while intrafacies permeability variability is simulated using conventional variogram-based geostatistical methods. The simulated hydraulic conductivity realizations are used as input to a groundwater flow and transport model to investigate the effect of small-scale sedimentary heterogeneity on contaminant plume migration. Results show that small-scale sedimentary heterogeneity has a significant effect on contaminant transport in the studied aquifer. The uncertainty on the spatial facies distribution and intrafacies hydraulic conductivity distribution results in a significant uncertainty on the calculated concentration distribution. Comparison with standard variogram-based techniques shows that multiple-point geostatistics allow better reproduction of irregularly shaped low-permeability clay drapes that influence solute transport. [less ▲]

Caractérisation hydrogéologique et support à la mise en œuvre de la Directive Européenne 2000/60 sur les masses d’eau souterraine en Région Wallonne (Projet Synclin’EAU) : délivrable D.3.12 Rapport sur la caractérisation hydraulique des aquifères et l'estimation des ressources en eaux souterraines – partie RWM011. Convention RW et SPGE-Aquapôle

Report (2009)