Hydraulic characterization of fractured and porous aquifers by induced polarization and hydraulic tomography

Abstract

The accurate characterization of aquifer heterogeneities in terms of hydraulic parameters is essential for groundwater modelling tasks. However, this process strongly depends on the reliability of data processing and inversion techniques for hydraulic and geophysical methods. First, a novel inversion approach is developed, which allows the direct derivation of hydraulic properties from induced polarization (IP) data. The method is implemented for an aquifer analog dataset and its accuracy is evaluated by transport simulations. In the following, a new method for inverting hydraulic tomography (HT) data in fractured-porous aquifers, which incorporates matrix flow into a discrete fracture network model, is applied to field data and validated using independent thermal tracer tests. Finally, a joint inversion approach combining IP and HT data is implemented for a synthetic test case, which allows for correcting petrophysical uncertainties within the IP inversion by including hydraulic data.

Für die Grundwassermodellierung ist die exakte Charakterisierung von Aquiferheterogenitäten hinsichtlich hydraulischer Parameter, und somit die Robustheit der Datenverarbeitungs- und der Inversionstechniken für hydraulische und geophysikalische Methoden entscheidend. In dieser Arbeit wird zunächst ein Inversionsansatz entwickelt, der die direkte Ableitung der Permeabilität aus Daten der Induzierten Polarisation (IP) ermöglicht. Er wird synthetisch für einen Aquifer-Analog-Datensatz getestet und die Ergebnisse anhand von Transportsimulationen evaluiert. Danach wird eine neue Methode zur Inversion von Daten der Hydraulischen Tomographie (HT) in geklüftet-porösen Medien auf Felddaten angewendet und durch unabhängige thermische Tracerversuche validiert. Schließlich wird eine Joint Inversion für IP- und HT-Daten für ein synthetisches Modell implementiert, welche es ermöglicht, petrophysikalische Unsicherheiten innerhalb der IP-Inversion durch Einbeziehung hydraulischer Daten zu korrigieren.