Hydraulisk konduktivitet

Transkript

1 Hydraulisk konduktivitet Definition af hydraulisk konduktivitet Den hydrauliske konduktivitet (K), også kaldet den hydrauliske ledningsevne, er ikke kun knyttet til det porøse medium, men også den strømmende væskes egenskaber. Det er vigtigt ikke at forveksle konduktiviteten med begrebet transmissivitet (T), der er defineret som konduktiviteten multipliceret med tykkelsen af det mættede porøse medium. Enheden for hydraulisk konduktivitet (K) er m/s, og er defineret ved: k ρ g K = μ hvor k er det porøse mediums (sediments) permeabilitet [m 2 ] ρ er væskens densitet [kg/m 3 ] g er tyngdeaccelerationen [m/s 2 ] µ er væskens dynamiske viskositet [kn s/m 2 ] I forbindelse med grundvandsstrømninger er det permeabiliteten, der er afgørende for konduktiviteten, da densiteten og den dynamiske viskositet som regel er konstante. Konduktiviteten kan bestemmes på baggrund af kornstørrelsesfordelingen i det porøse medium, eller direkte ved måling af væskers flow i mediet. I litteraturen er beskrevet mange måder at bestemme konduktiviteten på: Laboratoriemetoder, bestemmelse ved beregning ud fra kornstørrelsesfordeling, eller ved test på intakte kerner Feltmetoder, bestemmelse ved "slug-test" eller ved pumpeforsøg og monitering af vandstandsvariationer i selve pumpeboringen og/eller observationsboringer Laboratoriemetoderne er kun i ringe grad repræsentative for magasinet, da de kun giver informationer om konduktiviteten i det punkt hvor prøven er udtaget. Feltmetoderne giver en bedre bestemmelse af magasinets hydrauliske egenskaber end laboratoriemetoderne. "Slug tests" giver informationer om magasinets hydrauliske egenskaber i umiddelbar nærhed af boringen, mens egentlige pumpetests giver informationer om magasinets hydrauliske egenskaber i større afstand fra pumpeboringen. Hvis der benyttes observationsboringer i forbindelse med pumpetesten, opnås der yderlige informationer om magasinets hydrauliske egenskaber på strækningen mellem observationsboringerne og pumpeboringen. Den hydrauliske konduktivitet er en essentiel projekteringsparameter at kende ved følgende afværgemetoder: Afværgepumpning Termisk (ISTD og damp) Flerfase ekstraktion Kemisk oxidation / reduktion Stimuleret nedbrydning Naturlig nedbrydning Konduktiviteten i den mættede zone er i det følgende bestemt på 3 niveauer svarende til en kategori 1, kategori 2 og kategori 3 metode. 1 af 13

2 Litteratur 1. Analysis and Evaluation of Pumping Test Data. Second Edition. ILRI publication 47. Kruseman G.P & de Ridder N.A Boringers virkningsgrad, Vandteknik nr side 1-9. Sørensen, T. 3. Dimensionering af gruskastningsboringer. Vandteknik. Særtryk december Leo Glensvig. 4. Grundlæggende geologi og grundvand 1. Undervisningsserie. Miljø- og Energiministeriet (Publikationen kan hentes direkte fra Miljøstyrelsens hjemmeside 5. Prøvepumpningsteknik. ATV-komiteen vedrørende grundvandsforurening. SAS Scandinavia hotel. 5. okt Tolkning af prøvepumpningsdata. H. Kjærgaard 6. Slug tests. Environmental Protection Agency. United States. SOP #2046, Forudsætninger for bestemmelse af hydraulisk ledningsevne: Filtersætning af boringer; Boringen filtersættes i den mættede zone. For at opnå en god virkningsgrad på boringen, er det yderst vigtigt at gruskastningen omkring boringen udføres korrekt i forhold til kornstørrelsen i magasinet. Som udgangspunkt skal gruskastningskornene være 4 gange større end diameteren af kornene i magasinet. Udstyrets kapacitet: Ved "slug-test" benyttes en "slug" med et kendt volumen, det kan være en metalcylinder, eller alternativt et kendt vandvolumen. Ved en pumpetest benyttes en pumpe, hvis ydelse kan holdes konstant ynder hele testen. Dataindsamling: Vandstanden måles løbende med et vandstandspejl, og observationerne, samt tiden for observationen siden start af testen, noteres i et skema. Det bedste datagrundlag opnås ved at benytte en elektronisk datalogger, der kan registrere vandstanden med et givent interval. Databehandling: De indsamlede data behandles mest effektivt i et PC-baseret tolkningsprogram, men de indsamlede data kan alternativt behandles manuelt. 2 af 13

3 Kategori 1 - Bestemmelse hydraulisk konduktivitet Princip: Bestemmelse af hydraulisk konduktivitet (horisontal) på én boring ved "slug test". På en boring filtersat i den mættede zone kan der gennemføres en "slug test". Efter injektion af en "slug" med et kendt volumen måles ændringen af vandstanden over tid i boringen. Resultatet giver en god indikation af konduktiviteten i umiddelbar nærhed af boringen. Det skal bemærkes, at resultatet er særligt påvirket af boringens gruskastning og virkningsgrad. Det skal bemærkes, at den hydrauliske konduktivitet af et givet magasin, generelt bestemmes mere nøjagtigt ved at udføre en pumpetest i magasinet /1/. Se i øvrigt kategori 2 og 3 beskrivelserne. Feltopstilling: Afhængig af filterrørets diameter udvælges en "slug" der er ca. 1 cm mindre i diameter end filterrøret og ca. 1 meter lang. "Sluggen" skal være tung, og forsynet med en stålwire Principskitse: Alternativt kan der benyttes vand, som injiceres momentant i boringen. Det bør tilstræbes at opnå en stigning i boringen på min. 0,5 meter i boringen, uanset valg af metode. Testen udføres lettest i en Ø63 mm, og bør ikke udføres i en boring med en mindre diameter. Vandstandspejl til måling af vandstanden. Stopur til registrering af tid. 3 af 13

4 Udførelse: Indledningsvis pejles vandstanden. "Sluggen" injiceres momentant i boringen, samtidig med at et stopur startes. Stigningen i vandstanden registreres ved hjælp af pejlet. Vandstanden måles som funktion af tiden, indtil ro-vandstand er genetableret. Ved manuel pejling registreres vandstandsvariationerne i begyndelsen af testen så hyppigt som muligt. I boringer med høj hydraulisk konduktivitet, falder vandstanden så hurtigt, at det ikke er praktisk muligt at lave præcise håndpejlinger af vandstanden, hvorfor det anbefales at benytte en datalogger ved alle forsøg. Forsøget kan også udføres ved at fjerne et kendt volumen fra boringen. Konduktiviteten kan så beregnes på baggrund af vandstandsstigningen. Forsøget gentages mindst to gange i hver boring. Data, databehandling og rapportering: Under forsøget opsamles data om tid og vandstandsvariationer. Konduktiviteten beregnes ved hjælp af følgende formel: K = r 2 LN (L/R) / 2 L To For L/R > 8 K er konduktiviteten (m/s), r er filterrørets indre diameter (m), L er filterlængden (m), R er selve boringens radius, To er "basic time lag". Der optegnes en graf på semi-logaritmisk papir, med vandstandsvariationerne, udtrykt ved H-h/H-Ho, plottet mod tid, hvor H er ro-vandstanden, h er den målte vandstand for t>0, Ho er vandstanden ved t=0. Dataene skulle gerne plotte på en ret linje, og ved H- h/h-ho = 0.37 aflæses To på x aksen. Forslag til supplement af testen: Hvis der benyttes en vandstandslogger installeres den før forsøget påbegyndes. Vandstandsloggeren programmeres til at måle vandstanden med et interval på 2 sek. 4 af 13

5 Kategori 2 - Bestemmelse af hydraulisk konduktivitet Princip: Bestemmelse af den horisontale konduktivitet ved pumpetest i en boring. I en boring filtersat i den mættede zone, kan konduktiviteten af magasinet bestemmes ved at udføre en pumpetest. Det forudsættes at pumpens ydelse holdes konstant under hele forsøget, og at sænkningen og stigningen af vandstanden i boringen registreres under hele forløbet. Metoden anses ofte for at være mere robust og repræsentativ for større del af magasinet end metoden beskrevet under kategori 1 /1/. Ved at måle vandstandsvariationerne i magasiner der ikke er i direkte hydraulisk kontakt med det magasin der pumpes fra, er det muligt at opnå informationer om den vertikale permeabilitet. Feltopstilling: Der installeres en pumpe ca. 1 meter over bunden af boringen, der som min. skal være udført i Ø63 mm. Principskitse: Pumpens ydelse skal være tilstrækkelig til at skabe en sænkning på min. 1 meter i boringen. Testen kan gennemføres ved at måle vandstanden med et vandstandspejl, men det anbefales at benytte en datalogger, der logger vandstanden med et interval på 5 sek. Loggeren installeres umiddelbart under pumpen. Hvis vandstandsloggeren tillader det, kan loggerintervallet også indstilles logaritmisk, således at den hyppigste målefrekvens ligger i starten af pumpetesten. Hvis denne type loggere benyttes, skal de tappes og genstartes umiddelbart inden pumpen standses. Slanger til bortledning af vand. Vandet må ikke udledes i umiddelbart nærhed af boringen, således at det nedtrængende vand kan påvirke testen. Dette er særligt vigtigt i forbindelse med frie magasiner med et højt vandspejl. Vandstandspejl til måling af vandstanden. Stopur til registrering af tid. Spand med kendt volumen. 5 af 13

6 Udførelse: Inden opstart af pumpen pejles og noteres vandstanden i et skema. Pumpens ydelse under selve pumpetesten kan estimeres på baggrund af små kapacitetstests, der udføres førend selve forsøget påbegyndes, hvor der pumpes med forskellige ydelser, samtidig med at sænkningen måles. Det er vigtigt at vandstanden ikke sænkes ned til pumpeindtaget, og at vandstanden er tilbage til ro-vandstand, inden selve pumpetesten startes. Selve pumpetesten skal som minimum vare 60 min., og tilbageløbet bør pejles indtil vandstanden er tilbage til ro-vandspejl. Der bør tilstræbes en sænkning på min. 1 meter. Ved lave pumpeydelser kan pumpens ydelse måles ved at tage tid på hvor lang tid det tager at fylde en spand med et kendt volumen. Hvis der pumpes med ydelse større end 5 m 3 /time, bør der benyttes et vandur til at måle ydelsen. Hvis der benyttes en vandstandslogger skal vandstanden som minimum pejles før opstart, før pumpestop og før forsøget afsluttes. Data, databehandling og rapportering: Det skal bemærkes, at tolkning af prøvepumpningsdata er en videnskab i sig selv, og der skal henvises til litteraturen for en yderligere uddybning af emnet, se bla. litteraturhenvisningerne /4 og 5/. Under forsøget opsamles data om tid, vandstandsvariationer og pumpens ydelse. Parametre der sammen med oplysningerne om pumpeboringens udbygning, skal benyttes ved den videre tolkning. Data plottes med vandstandsvariationerne som funktion af tid. Da pumpetesten typisk er af kortere varighed, korrigeres data ikke for barometer effekt /1/. Data kan tolkes manuelt ved hjælp af typekurver og retlinjeplot, men tolkningsarbejdet lettes betydeligt ved at benytte et tolkningsprogram som for eksempelvis Aqtesolv eller Aquiferwin32 mfl. Data fra pumpeboringen tolkes med Cooper-Jacobs retlinjemetode for enten et frit- eller spændt magasin i tolkningsprogrammet. Der henvises til tolkningsprogrammets manual for en nærmere beskrivelse af hvordan programmet behandler data. I forbindelse med tolkningen af data er det vigtigt at vurdere, hvor lang tid sænknings- og stignings data er påvirket af borerørseffekten, idet der kun skal tolkes på data efter borerørseffektens ophør. Forerørseffektens ophør kan beregnes ved følgende ligning /4/: t c = 0,192 (d c 2 - d p 2 )* s/q hvor: t c er antal minutter fra pumpestart(pumpestop) til ophør af forerørseffekt d c er forerørsdiameter i m d p er pumperørsdiameter i m s/q er specifik sænkning m pr. m 3 /sek Det skal bemærkes, at magasintallet (S) ikke er troværdigt når tolkningen udføres på data fra pumpeboringen /4/. 6 af 13

7 Eksempel på tolkning af data i tolkningsprogrammet Aqtesolv. Sænkningsdata (m) fra pumpeboringen i et spændt magasin er plottet mod tid (sek). Typekurven (Cooper- Jacob), her en ret linje, er tilpasset sænkningsdata. Sænkning (m) Sænkning i pumpeboring Obs. Wells Pumpeboring Aquifer Model Confined Solution Cooper-Jacob Parameters T = m 2 /sec S = For at udføre tolkningen, er der indtastet oplysninger i programmet om boringens udbygning, samt pumpens ydelse og sænkningen til en givet tid E+4 1.0E+5 1.0E+6 Tid (sec) Sænknings- og stigningsdata fra pumpeboringen kan også behandles manuelt ved at følge vejledningen i /4, afsnit 3.6 og 5/. Hvor sænkningsdata eller stigningsdata plottes manuelt eller i et regneark eller på logaritmisk papir. Metoden er ligeledes beskrevet i det følgende. Eksempel på plotning af sænkningsdata fra en pumpeboring i et regneark. Tid (sek) Sænkningen (m) plottes mod tiden (sek) på logaritmisk papir. Tolkningen kan udføres tilsvarende på stigningsdata. Sænkning (m) s=0.55m af 13

8 Ved at aflæse hældningen over en dekade, kan transmissiviteten (T) beregnes. Det erindres, at transmissiviteten er konduktiviteten multipliceret med magasintykkelsen. hvor: T er transmissivitet (m 2 /sek) Q er ydelsen (m 3 /sek) s (m) er hældningen over en dekade. Afrapporteringen af de opnåede resultater bør som minimum indeholde oplysninger om boringens udbygning, magasinets tykkelse, og parameteren konduktivitet (eller transmissivitet, T). Boreprofil vedlægges rapporten. Forslag til supplement af testen: Pumpens ydelse kan måles kontinuerligt med en flow-logger. Ved ydelser over 5 m 3 /time, bør pumpens ydelse måles med et vandur. 8 af 13

9 Kategori 3 - Bestemmelse af konduktivitet Ved kategori 3 bestemmelse af den horisontale konduktivitet indgår en pumpetest, som beskrevet ved en kategori 2 test, samt en eller flere observationsboringer hvori der registreres en sænkning. Testen giver information om magasinets konduktivitet inden for det område der er dækket af observationsboringer. Oftest er magasinet ikke homogent og variationer i magasinets konduktivitet kan beregnes ved denne test. Ved spændte magasiner kan der ved en givet hydraulisk konduktivitet forventes en større udbredelse af sænkningstragten, end i et frit magasin, da magasintallet (S) er større for det frie magasin. Derfor bør observationsboringer i et frit magasin placeres nærmere pumpeboringen end ved en tilsvarende test i et spændt magasin. Ved at måle vandstandsvariationerne i magasiner der ikke er i direkte hydraulisk kontakt med det magasin der pumpes fra, er det muligt at opnå informationer om den vertikale permeabilitet. Feltopstilling: I pumpeboringen installeres en pumpe ca. 1 meter over bunden af boringen, der som min. bør være udført i Ø110 mm. Principskitse: Der installeres dataloggere, hvis indre ur er synkroniseret inden opstart, i både pumpeboringen og alle observationsboringer. Afhængig af testens varighed, og størrelsen på loggerens hukommelse, vælges den hyppigst mulige loggerfrekvens. I pumpeboringen installeres loggeren umiddelbart under pumpen. I observations-boringerne, der bør være min. Ø63mm, installeres loggerne et par meter over deres måleområde. De enkelte observationsboringers afstand og retning til pumpeboringen indmåles. Hvis vandstandsloggeren tillader det, kan loggerintervallet også indstilles logaritmisk, således at den hyppigste målefrekvens ligger i starten af pumpetesten. Hvis denne type loggere benyttes, skal de tappes og genstartes umiddelbart inden pumpen standses. Slanger til bortledning af vand. Vandet må ikke udledes i umiddelbart 9 af 13

10 nærhed af boringen, således at det nedtrængende vand kan påvirke testen. Særligt ved længerevarende tests skal vandet ledes effektivt væk fra boringen. Vandstandspejl til måling af vandstanden. Stopur til registrering af tid. Et vandur, der monteres for enden af udledningsslangen. Målebånd eller GPS. Udførelse: Inden opstart af pumpen pejles alle benyttede boringer og målingerne noteres i et skema. Pumpens ydelse under selve pumpetesten kan estimeres på baggrund af små kapacitetstests førend selve forsøget påbegyndes. Det er vigtigt at vandstanden ikke sænkes ned til pumpeindtaget. Selve pumpetesten bør som minimum vare 24 timer, eller indtil der er registreret en sænkning > 20 cm i observationsboringerne. Tilbageløbet bør pejles indtil vandstanden er tilbage til ro-vandspejl. Der bør tilstræbes så stor en sænkning som muligt i pumpeboringen, dog uden at vandstanden sænkes ned til pumpeindtaget, eller under toppen af filtret i boringen, således at vandstandssænkningen kan blive registreret i de benyttede observationsboringer. Hvis der pumpes med en ydelse større end 5 m 3 /time, bør der benyttes et vandur til at måle ydelsen. For at verificere vandstandsloggerens målinger, skal vandstanden som minimum pejles før opstart, før pumpestop og før forsøget afsluttes. Data, databehandling og rapportering: Under forsøget opsamles data om tid, vandstandsvariationer i både pumpe- og observationsboringerne og pumpens ydelse. Parametre der sammen med oplysningerne om boringernes udbygning, skal benyttes ved den videre tolkning. Der optegnes en situationsplan med angivelse af pumpeboringen og alle observationsboringernes placering på lokaliteten, samt deres indbyrdes afstand. Data plottes med vandstandsvariationerne som funktion af tid. Da pumpetesten typisk er af længere varighed korrigeres data for barometer effekt /1/. Data kan tolkes manuelt ved hjælp af typekurver, men tolkningsarbejdet lettes betydeligt ved at benytte et tolkningsprogram som for eksempelvis Aqtesolv eller Aquiferwin32 mfl. Afhængig af om magasinet er spændt eller frit vælges den rette typekurve eller tolkningsmodel i tolkningsprogrammet. Ved tolkning i et tolkningsprogram vælges Cooper-Jacobs retlinjemetode for enten et spændt- eller frit magasin, afhængig af de geologiske forhold. Der henvises til tolkningsprogrammets manual for en nærmere gennemgang af programmets funktioner. Det skal bemærkes, at magasintallet (S) ikke er troværdigt når tolkningen udføres på data fra pumpeboringen /4/. 10 af 13

11 Eksempel på tolkning af sænkningsdata fra en pumpeboring i Aqtesolv. Sænkningsdata (m) fra pumpeboringen i et spændt magasin er plottet mod tid (sek). Typekurven (Cooper- Jacob), her en ret linje, er tilpasset sænkningsdata. For at udføre tolkningen er der indtastet oplysninger i programmet om boringens udbygning, samt pumpens ydelse. Sænkning (m) Sænkning i pumpeboring Obs. Wells Pumpeboring Aquifer Model Confined Solution Cooper-Jacob Parameters T = m 2 /sec S = E+4 1.0E+5 1.0E+6 Tid (sec) Sænknings- og stigningsdata fra pumpeboringen og observationsboringerne kan også behandles manuelt ved at følge vejledningen i /4, afsnit 3.6/. Hvor sænkningsdata eller stigningsdata plottes manuelt eller i et regneark eller på logaritmisk papir. Metoden er ligeledes beskrevet i det følgende. Eksempel på plotning af sænkningsdata fra en pumpeboring i et regneark. Tid (sek) Sænkningen (m) plottes mod tiden (sek) på logaritmisk papir. Tolkningen kan udføres tilsvarende på stigningsdata. Testen skal vare minimum 60 min. Sænkning (m) s=0.55m af 13

12 Ved at aflæse hældningen over en dekade, kan transmissiviteten (T) beregnes. Det erindres, at transmissiviteten er konduktiviteten multipliceret med magasintykkelsen. Hvis ovenfor viste sænkning havde været i en observationsboring, kunne magasintallet (S) tillige have været beregnet på baggrund af data-liniens skæring med tids-aksen (t 0 ), her ca. 10 sek. I observationsboringen beregnes transmissiviteten (T) efter samme princip som i pumpeboringen. og Hvor: T er transmissivitet (m 2 /sek) Q er ydelsen (m 3 /sek) s er hældningen over en dekade (m) S er magasintallet t 0 er dataliniens skæring med tids-aksen (sek) r 2 er afstanden til pumpeboringen I observationsboringerne benyttes typisk en Theis tolkning ved tolkning af data i et tolkningsprogram, for et spændt eller frit magasin. Den valgte tolkning bør dog bero på en vurdering af sænkningsstigningsdataene og de geologiske oplysninger fra hver enkelt test. Sænknings og stigningsdata fra flere observationsboringer, min. 3, kan tolkes manuelt ved hjælp af et afstands/sænkningsplot, der viser sænkningen i observationsboringerne, plottet mod afstanden fra pumpeboringen på et semilogaritmisk papir. Ved et homogent magasin plotter observationerne på en ret linje, hvorfor metoden kan benyttes til at vurdere homogeniteten af et magasin, og hvor god hydraulisk forbindelse der er mellem de enkelte boringer. 12 af 13

13 Eksempel på plotning af sænkninger i 3 observationsboringer mod afstanden fra pumpeboringen i et regneark. 0 Afstand (m) Ved at aflæse sænkningen over en dekade, og linjens skæring med afstandsaksen, r 0. Det vil sige, den afstand fra pumpeboringen, hvor sænkningen er 0. Testen skal vare minimum 60 min. Sænkning (m) r 0 =400 s= Ved at aflæse hældningen over en dekade, kan transmissiviteten (T) beregnes. Det erindres, at transmissiviteten er konduktiviteten multipliceret med magasintykkelsen. Magasintallet (S) kan beregnes ved at aflæse r 0 på plottet. Nedenstående formler viser hvorledes transmissiviteten (T) og magasintallet (S) kan beregnes. og hvor: T er transmissivitet, Q er ydelsen (m 3 /sek), s er hældningen over en dekade. S er magasintallet, t er den tid som testen har varet (sek), r 0 er afstanden der svarer til en sænkning =0. Afrapporteringen af de opnåede resultater bør som minimum indeholde oplysninger om boringens udbygning, magasinets tykkelse, og parametrene konduktivitet (eller transmissivitet, T) og magasintal (S). Boreprofiler for samtlige boringer vedlægges rapporten med angivelse af filterplacering samt evt. vandspejl. Forslag til supplement af testen: For at vurdere den optimale ydelse under pumpetesten, kan der indledningsvist blive udført en mindre prøvepumpning i boringen af en times varighed, jævnfør kategori 2 testen, eller en step-test af ca. 6 timeres varighed i pumpeboringen. På baggrund af de indledende tests, kan konduktiviteten og boringens virkningsgrad beregnes, og indgå i en beregning af boringens maksimale ydelse under pumpetesten. Den indledende test kan også benyttes til at beregne den forventede udbredelse af sænkningstragten, og dermed den maksimale afstand for placering af observationsboringer, ved en givet ydelse. Pumpens ydelse kan måle kontinuerligt med en flow-logger. Antallet af observationsboringer er styrende for den opløsning hvormed konduktiviteten i magasinet bliver bestemt, så testen kan udvides med yderligere observationsboringer. Boringerne indmåles af landmåler i X, Y og Z planet. 13 af 13