Evaluation of Darcy Flow Velocities Obtained from Borehole Dilution Tests

Abstract

The project is part of a larger investigation of the water protection area Donauried-Hürbe. This area is a recharge zone used by one of Germany’s biggest water supply companies, the Zweckverband Landwasserversorgung (LW). The freshwater supply originates from a 200 m thick karst aquifer in the Swabian Alb (Schwäbische Alb) and flows southest towards the Donauried and into a porous aquifer. The long-term research goal of the investigation is to define the flow time and flow path for the water moving from the recharge area to the main discharge area, to update protection zone boundaries and prevent contamination.

Groundwater flow patterns are being studied using tracer tests. However, finding suitable borehole for tracer inputs requires knowledge of subsurface flow behavior in these boreholes. This knowledge can be obtained by carrying out single borehole dilution tests(SBDT). The focus of this project was to determine the flow connections between several candidate boreholes and the aquifer, by calculating the Darcy flow velocity (also called filtration velocity) obtained from SBDTs. In some wells, sections with particularly high groundwater flow were detected. Such identified locations would therefore be recommended for tracer tests.

Based on results of the electrical conductivity development, total salt quantity development and Darcy flow velocity, four wells were identified as suitable for tracer tests (measurement wells 5303, 5312, 7721 and 7733). Another studied well measurement well 2301) was identified as less suited for tracer tests due to low Darcy flow velocity. Even though Darcy flow velocity is normally used for groundwater flow in non-karstic aquifers, it seems to work relatively good for the karst aquifer wells 7721 and 7733.

Three different injection methods (stocking method, hosepipe method and point injection method), and two different measurement methods (Electrical Conductivity Meter and CTD-Diver) for SDBTs were investigated. Compared to the stocking method, the hosepipe method did not deliver any greater improvements for equally distributed salt injections. Due to this and the advantages that the stocking method has in terms of costs, technique handling, and preparation, it is a preferred injection method. The point injection method worked relatively well, based on problems met in the experiments of this thesis, but will work better in the future by developing an improved point injection device. Handling a CTD-Diver compared to an Electrical Conductivity Meter is more practical and time effective. However, the Electrical Conductivity Meter is preferred for SBDTs in boreholes where the groundwater flow characteristics are still relatively unknown. Based on information from point injection tests in a lab hall, density effects during SBDTs could be neglected.

In future experiments, SBDTs should be carried out in the field by combining different factors such as seasonal differences, salt quantity, and injection method. This would increase the understanding of how the filtration velocity may vary depending on different factors. From the results, it seems as if a more reliable model of the salt development quantity might be obtained when the measurements of electrical conductivity are made more frequently and during a longer time.

Popular Abstract (Swedish)

Från avrinningsområdet Donauried-Hürbe i södra Tyskland pumpas varje dag grundvatten som renas och levereras som dricksvatten till cirka tre miljoner människor i bland annat städer som Stuttgart och Ulm. Området kring den 200 meter djupa karstakvifären, ifrån vilken dricksvattnet härstammar, är idag miljöpåverkad av mänsklig aktivitet såsom jordbruk och fordonstrafik. För att minimera föroreningsrisker av vattnet har vattenskyddsområden upprättats, där olika grad av restriktioner gäller kring hur området får nyttjas. På grund av en rådande osäkerhet huruvida dessa vattenskyddsområden är korrekt indelade och definierade för att ge optimalt kontamineringsskydd av vattnet i pumpbrunnarna, behöver grundliga undersökningar av yt- och grundvattenflöden genomföras i avrinningsområdet.

Med hjälp av resultatet från ett s.k. spårprov kan man lokalisera potentiella spridningsvägar vid kontaminering av grundvattnet, till exempel i händelse av en föroreningsolycka. De snabbaste flödesvägarna i området kan bestämmas, vilket gör det möjligt att bedöma vilka landområden som vid förorening skulle riskera att försämra kvaliteten på vattnet i pumpbrunnarna mest. Områden som medför större risk, blir tilldelade strängare miljörestriktioner och därmed högre vattenskyddsklass. Som ett led i att kunna genomföra ett väl utfört spårprov i det studerade området, krävs inledande kunskap om grundvattenflödena i akvifären. Denna kunskap uppnås med hjälp av s.k. borrhålsutspädningsförsök, som i korthet går ut på att injicera salt i en vattenbrunn och studera hur snabbt saltet försvinner. Detta görs genom att mäta den avtagande elektriska ledningsförmågan i vattnet. Ju snabbare saltet försvinner, desto högre genomströmmande grundvattenflöde (vilket i detta arbete presenteras i Darcyhastighet) förekommer i brunnen. Genom ett borrhålsutspädningsförsök kan man även undersöka hur Darcyhastigheten varierar längs borrhålets djup.

Med resultatet från flertalet borrhålsutspädningsförsök i fält kunde Darcyhastigheten bestämmas för fem vattenbrunnar i vattenupptagningsområdet. Värdefulla slutsatser kunde dras kring vilka brunnar som lämpar sig särskilt bra för ett framtida spårprov. Fältförsöken visade att även om beräkningen av Darcyhastighet endast bör appliceras på porösa akvifärer, så fungerade den väl på två studerade vattenbrunnar, lokaliserade i karst. Under borrhålsutspädningsförsök i labbhall upptäcktes ett tekniskt fel i det punktinjektionsverktyg som används, vilken därmed kommer att bytas ut inför framtida tester. Baserat på labbhallsexperimenten, kunde densitetseffekter från saltet på resultatet under ett borrhålsutspädningsförsök försummas. Det var även möjligt att fastställa vilken saltinjektionsmetod samt mätmetod som är att föredra.

I detta arbete utvärderades Darcyhastigheten endast för fem brunnar, men för att få mer klarhet i grundvattenförhållanden och exakt var ett spårprov bör utföras, krävs att fler brunnar undersöks. För framtida undersökningar rekommenderar rapportförfattaren att borrhålutspädningsförsök i fält genomförs med olika kombinationer av testfaktorer såsom årstidsskillnader, saltmängd och injektionsmetod, eftersom det skulle kunna öka insikten kring hur Darcyhastigheten varierar beroende på dessa faktorer.

• author: Lundin, Johanna
• supervisor: Gerhard Barmen
• organization: Engineering Geology; Civil Engineering (M.Sc.Eng.)
• alternative title: Utvärdering av Darcy Flow-hastighet från borrhålsutspädningsförsök
• course: VTGM05 20192
• year: 2019
• type: H3 - Professional qualifications (4 Years - )
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Single borehole dilution tests (SBDT), Darcy flow velocity, karst aquifer, porous aquifer, Donauried-Hürbe, Germany
• publication/series: ISRN
• report number: ISRN LUTVDG/(TVTG - 5159 )/1-76/(2019)
• other publication id: ISRN LUTVDG/(TVTG - 5159 )/1-76/(2019)
• language: English
• additional info: Examiner: Jan-Erik Rosberg
• id: 8982774
• date added to LUP: 2019-06-19 09:37:25
• date last changed: 2021-06-04 03:41:39