testing alternative uses of electromagnetic data to reduce the prediction error of groundwater models

اختبار استخدامات بديلة للبيانات الكهرومغناطيسية لتقليل خطأ التنبؤ في نماذج المياه الجوفية

Clicks: 132
ID: 166181
2016
Free PDF
Article Quality & Performance Metrics
Overall Quality
Not rated
Combines reader engagement with the AI quality analysis. This article has not been analysed, so there is no overall score — reader engagement is measured and shown alongside.
AI Quality Assessment
Not analyzed
Readership in this journal
Steady

Ranked #239 of 303 articles by views in materials research bulletin

Most read Least read

Bar heights use a square-root scale. Only the 120 most-read articles are drawn; the journal has 303 in total.

Mint this article as an NFT
Not yet minted

Create a permanent, verifiable on-chain record of this article on the Scimatic Network. The NFT is held in your Journament account, and you can withdraw it to your own wallet at any time.

5 SUSD one-off · no wallet required
Sign in to mint
Abstract
In spite of geophysics being used increasingly, it is often unclear how and when the integration of geophysical data and models can best improve the construction and predictive capability of groundwater models. This paper uses a newly developed HYdrogeophysical TEst-Bench (HYTEB) that is a collection of geological, groundwater and geophysical modeling and inversion software to demonstrate alternative uses of electromagnetic (EM) data for groundwater modeling in a hydrogeological environment consisting of various types of glacial deposits with typical hydraulic conductivities and electrical resistivities covering impermeable bedrock with low resistivity (clay). The synthetic 3-D reference system is designed so that there is a perfect relationship between hydraulic conductivity and electrical resistivity. For this system it is investigated to what extent groundwater model calibration and, often more importantly, model predictions can be improved by including in the calibration process electrical resistivity estimates obtained from TEM data. In all calibration cases, the hydraulic conductivity field is highly parameterized and the estimation is stabilized by (in most cases) geophysics-based regularization.

For the studied system and inversion approaches it is found that resistivities estimated by sequential hydrogeophysical inversion (SHI) or joint hydrogeophysical inversion (JHI) should be used with caution as estimators of hydraulic conductivity or as regularization means for subsequent hydrological inversion. The limited groundwater model improvement obtained by using the geophysical data probably mainly arises from the way these data are used here: the alternative inversion approaches propagate geophysical estimation errors into the hydrologic model parameters. It was expected that JHI would compensate for this, but the hydrologic data were apparently insufficient to secure such compensation. With respect to reducing model prediction error, it depends on the type of prediction whether it has value to include geophysics in a joint or sequential hydrogeophysical model calibration. It is found that all calibrated models are good predictors of hydraulic head. When the stress situation is changed from that of the hydrologic calibration data, then all models make biased predictions of head change. All calibrated models turn out to be very poor predictors of the pumping well's recharge area and groundwater age. The reason for this is that distributed recharge is parameterized as depending on estimated hydraulic conductivity of the upper model layer, which tends to be underestimated. Another important insight from our analysis is thus that either recharge should be parameterized and estimated in a different way, or other types of data should be added to better constrain the recharge estimates.
على الرغم من تزايد استخدام الجيوفيزياء، فإنه غالبًا ما يظل من غير الواضح كيف ومتى يمكن لدمج البيانات والنماذج الجيوفيزيائية أن يُحسّن على النحو الأمثل بناء نماذج المياه الجوفية وقدرتها التنبؤية. توظف هذه الورقة منصة اختبار هيدروجيوفيزيائية مطورة حديثًا (HYTEB)، وهي عبارة عن مجموعة من برمجيات النمذجة والعكس الجيولوجية والهيدرولوجية والجيوفيزيائية، لتوضيح الاستخدامات البديلة للبيانات الكهرومغناطيسية (EM) في نمذجة المياه الجوفية ضمن بيئة هيدروجيولوجية تتألف من أنواع مختلفة من الرواسب الجليدية ذات موصليات هيدروليكية ومقاوميات كهربائية نمطية تغطي صخر أساس غير منفذ ذا مقاومية منخفضة (صلصال). صُمم النظام المرجعي ثلاثي الأبعاد الاصطناعي بحيث توجد علاقة تامة بين الموصلية الهيدروليكية والمقاومية الكهربائية. وبالنسبة لهذا النظام، يجري استقصاء مدى إمكانية تحسين معايرة نموذج المياه الجوفية، وتنبؤات النموذج وهو الأهم غالبًا، من خلال تضمين تقديرات المقاومية الكهربائية المستمدة من بيانات الكهرومغناطيسية في المجال الزمني (TEM) في عملية المعايرة. وفي جميع حالات المعايرة، يتميز حقل الموصلية الهيدروليكية بكثرة معلَماته ويُثبَّت التقدير (في معظم الحالات) عن طريق التسوية المعتمدة على الجيوفيزياء.

وبالنسبة للنظام ونهوج العكس المدروسة، وُجد أنه ينبغي توخي الحذر عند استخدام المقاوميات المقدرة بواسطة العكس الهيدروجيوفيزيائي التتابعي (SHI) أو العكس الهيدروجيوفيزيائي المشترك (JHI) كمُقدِّرات للموصلية الهيدروليكية أو كوسائل تسوية للعكس الهيدرولوجي اللاحق. ويرجع التحسن المحدود في نموذج المياه الجوفية الناتج عن استخدام البيانات الجيوفيزيائية بصورة رئيسية، على الأرجح، إلى الطريقة التي تُستخدم بها هذه البيانات هنا؛ إذ تنقل نهوج العكس البديلة أخطاء التقدير الجيوفيزيائي إلى معلمات النموذج الهيدرولوجي. وكان من المتوقع أن يعوض العكس المشترك (JHI) عن ذلك، إلا أن البيانات الهيدرولوجية لم تكن كافية على ما يبدو لتأمين هذا التعويض. وفيما يتعلق بالحد من خطأ تنبؤ النموذج، فإن جدوى تضمين الجيوفيزياء في معايرة مشتركة أو تتابعية للنموذج الهيدروجيوفيزيائي تعتمد على نوع التنبؤ المطلوب. وقد تبيّن أن جميع النماذج المعايرة تُعد أدوات تنبؤ جيدة للضاغط الهيدروليكي. ولكن عندما تتغير حالة الإجهاد عن تلك الخاصة ببيانات المعايرة الهيدرولوجية، تقدم جميع النماذج تنبؤات متحيزة لتغير الضاغط. كما تبين أن جميع النماذج المعايرة تُعد أدوات تنبؤ ضعيفة للغاية لمنطقة تغذية بئر الضخ وعُمر المياه الجوفية. ويعود السبب في ذلك إلى أن التغذية الموزعة عولجت بارامتريًا باعتمادها على الموصلية الهيدروليكية المقدرة للطبقة العليا من النموذج، والتي يميل تقديرها إلى أن يكون أقل من قيمتها الحقيقية. وبناءً على ذلك، فإن هناك استنتاجًا مهمًا آخر مستخلصًا من تحليلنا يتمثل في ضرورة تحديد معلمات التغذية وتقديرها بطريقة مختلفة، أو وجوب إضافة أنواع أخرى من البيانات لضبط تقديرات التغذية بصورة أفضل.
Reference Key
christensen2016hydrologytesting Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors N. K. Christensen, S. Christensen, T. P. A. Ferre
Are you one of these authors? Claim your profile
Journal materials research bulletin
Year 2016
DOI
10.5194/hess-20-1925-2016
URL
http://www.hydrol-earth-syst-sci.net/20/1925/2016/hess-20-1925-2016.pdf
Keywords
anthropology recreationenvironmental sciences sanitary engineeringgeography technologyenvironmental technology

Citations

No citations found. To add a citation, contact the admin at info@scimatic.org

Comments

No comments yet. Be the first to comment on this article.