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Groundwater flow modelling of stream-aquifer interaction in an influent regime using hydrogeophysical constraints

Grebenicek, Arthur (2017) Groundwater flow modelling of stream-aquifer interaction in an influent regime using hydrogeophysical constraints.
Masterarbeit, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Hofmann, Thilo

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DOI: 10.25365/thesis.47836
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-28779.89679.797869-4

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Abstract in English

Electromagnetic induction (EMI) investigations represent a rapid, non-invasive and inexpensive method to collect spatially dense data for derivation of properties controlling the flow in the shallow subsurface. Stream-aquifer exchange rates are often controlled by a clogging layer, formed by accumulation of fine-grained sediment in the void pore space. EMI measurements were employed, in constant-walking-speed operation along reaches of a losing-disconnected stream during low flow conditions near a bank filtration site, to gain the streambed’s apparent electrical conductivity (ECa) as a measure of its bulk electrical conductance. The objective of this research was to infer infiltration rates by correlating ECa with co-located, punctual streambed vertical hydraulic conductivity (Kv) measurements, to develop a log-linear Kv-ECa relationship for subsequent use in the derivation of a spatially variable Cauchy-type boundary condition in a numerical groundwater flow model. The correlation between measured ECa and Kv was found to be very weak, arguably pronounced due to methodical problems when installing open-bottom infiltration pipes for Kv determination in the partially pebbly streambed. The regression-based model underestimated total stream infiltration rate by 2.5 orders of magnitude, when compared to existing streamflow loss data. Several ECa-clustered Kv-ECa relationships, with varying corresponding upper and lower Kv limits, according to reference literature values, were tested. Incremental adjustments of the lower limit allowed matching total numerical infiltration rate and total streamflow loss data. Using this approach, reach-scale inconsistencies between the numerical infiltration rates and the streamflow loss dataset are apparent. However, the reach with highest infiltration rate was found to be in line with the main infiltration zone as delineated by streamflow loss. While reach-accurate EMI-supported derivation of stream-aquifer exchange rates does not seem promising, the results suggest that EMI may be used prior to more time- and resource-consuming field methods such as (spectral) induced polarization imaging, which target more accurate Kv estimation, by indicating strongly infiltrating reaches.

Schlagwörter in Englisch

EMI / ECa / clogging layer / flow model / losing-disconnected

Abstract in German

Elektromagnetische Induktion (EMI) stellt eine schnelle, nicht-invasive und kostengünstige Methode dar, um eine große Anzahl an räumlich verteilten Daten zu erfassen und dadurch Aussagen über den elektrischen Fluss im Untergrund abzuleiten. Die Austauschraten von Oberflächenwasser und Grundwasser im Flussbett werden oft durch eine Kolmationsschicht bestimmt, die sich durch eine Ansammlung feinkörniger Sedimente in den Porenzwischenräumen bildet. Über einen Zeitraum von mehreren Tagen wurden EMI Messungen in einem Flussbett mit influenten Verhältnissen (losing disconnected stream) durchgeführt. Die dabei gemessene scheinbare elektrische Leitfähigkeit (ECa) des Flussbettes wurde mit parallel durchgeführten Infiltrometermessungen, zur Bestimmung der vertikalen hydraulischen Leitfähigkeit (Kv), korreliert. Ziel der Arbeit war es, eine log-lineare Kv-ECa-Verbindung zu finden und deren Ergebnisse als Cauchy-Randbedingung in ein numerisches Grundwassermodell zu implementieren. Die Regressionsanalyse ergab eine äußerst schwache Korrelation von Kv und ECa, vermutlich zurückzuführen auf methodische Probleme beim Versuchsaufbau der Infiltrometer. Das resultierende Modell, basierend auf der Regressionsanalyse, unterschätzte die Infiltrationsraten des Flusses, die bei früheren Studien bestimmt wurden, um mehr als 2,5 Größenordnungen. Die ECa-Werte wurden daraufhin in Cluster mit variablen maximalen und minimalen Kv-Grenzen unterteilt. Nachdem ein maximaler Kv-Wert gefunden wurde, konnte durch eine schrittweise Anpassung der Werte die untere Kv-Grenze ermittelt und die errechnete Gesamtinfiltrationsrate an die gemessene Abflussrate angeglichen werden. Die errechneten Infiltrationswerte der einzelnen Flussabschnitte wichen teilweise stark von den ermittelten Abflussmengen ab, zeigten jedoch eine generelle Übereinstimmung bei der Bestimmung der Hauptinfiltrationszonen. Der Einsatz von EMI-Messungen zur Bestimmung von Infiltrationsraten, über großflächige Flussabschnitte hinweg, scheint nicht zielführend zu sein. EMI stellt jedoch eine schnelle und einfache Methode dar, um potentielle Hauptinfiltrationszonen zu identifizieren. Diese können mit zeitintensiveren aber zuverlässigeren Methoden, wie der (spektral) induzierten Polarisation (IP), weiter untersucht werden.

Schlagwörter in Deutsch

EMI / ECa / Kolmationsschicht / influent / Grundwassermodell

Item Type: Hochschulschrift (Masterarbeit)
Author: Grebenicek, Arthur
Title: Groundwater flow modelling of stream-aquifer interaction in an influent regime using hydrogeophysical constraints
Umfangsangabe: 58 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Masterstudium Erdwissenschaften
Publication year: 2017
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Hofmann, Thilo
Assessor: Hofmann, Thilo
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.85 Hydrologie: Allgemeines
38 Geowissenschaften > 38.86 Grundwasser
AC Number: AC14507134
Item ID: 47836
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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