1 Caratterizzazione degli acquiferi: lintegrazione di metodologie geoelettriche ed idrogeologiche D....

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1 Caratterizzazione degli acquiferi: l’integrazione di metodologie geoelettriche ed idrogeologiche D. Nieto Yàbar, A. Affatato,A. Bratus, G. De Carlo, E. Marin, D. Rapti-Caputo, G. Santarato, C. Vaccaro Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale, Trieste Acque del Basso Livenza S.p.A., Annone Veneto (VE) GNGTS - 27° Convegno Nazionale Trieste 6-8 ottobre 2008

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Caratterizzazione degli acquiferi: l’integrazione di

metodologie geoelettriche ed idrogeologiche

D. Nieto Yàbar, A. Affatato,A. Bratus, G. De Carlo, E. Marin, D. Rapti-Caputo, G. Santarato, C. Vaccaro

Istituto Nazionale di Oceanografia e Geofisica Sperimentale, TriesteAcque del Basso Livenza S.p.A., Annone Veneto (VE)Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Ferrara

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Contents:

1. Scope of the work2. Hydrogeological outline3. Geophysical methods4. Results5. Discussion.

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www.cami-life.net

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1. Scope of the work

•To delineate the whole sequence of aquifers, which spans several hundreds of meters

•To estimate effective porosity of the aquifers, where data of water conductivity are available,

•To monitorize the evolution of the aquifers with time

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2. Hydrogeological outline:

the study area

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Foto di Arno Mohl - WWFAustria

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unconfined indifferentiated aquifer

(recharge area: pollution possible!)

Conceptual

Hydrogeological

Model

coarse

conglomerates

A

resurgence line test area

Sketch model hydr. section A Sketch model hydr. section B

4 Km

0

-100

100

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multi-aquifer system A0

A1

A2

Confined aquifers

20

50

180

200m

0m Unconfined aquifer

A2

A1

A0

resurgence line

Con

cep

tual H

yd

rog

eolo

gic

al M

od

el

coarse sand

clay

test area

B

Sketch model hydr. section A Sketch model hydr. section B

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Aquifer systems (100-507 m b.g.l.)

Torrate

sand

gravel

sandy-gravel

clay

aquifer system

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The test area: the “Torrate” exploitation field of “Acque del

Basso Livenza S.p.A.”

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3. The test area: geo-electrical methods

2D and 3D Electrical Resistivity Tomography (ERT: 0 to 100 m b.g.l.)

Transient (Time Domain) Electromagnetism (TEM-TDEM, about 50-500 m b.g.l.)

In-hole resistivity measurements (60 to 507 m b.g.l.)

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ERT

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Equipment: Syscal R2Array: Wenner-SchlumbergerElectrodes: up to 128Electrode spacing: 5 mAcquisition mode: resistivity

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The 2D profiles(resistivity)

Inversion method: smooth (Loke’s RES2DINV)

First confined aquifer “A1”

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clay

gravel

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La forma del primo La forma del primo acquiferoacquifero

Inversion method: smooth (Loke’s RES3DINV)

First confined aquifer “A1”

The 3D ERT resistivity model

-->Sub-horizontally layered geometry

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TDEM: layout of the first survey (October 2005)

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 1 3

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T a v o l a 2

G r u p p op o m p e

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 1 3

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 1 3

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 2

T D 1

T D 4

T D 3

T D 5

T D 9

T D 6T D 8T D 7

T D 1 2

T D 1 / a g o s t o

T D 2 / a g o s t o

T D 1 1

T D 1 0

T D 1 4

T D 1 3

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T a v o l a 2

G r u p p op o m p eG r u p p op o m p e

pumps

200 m

Equipment: Geonics TEM57/PROTEMFrequency bands: 25, 6, 2.5 HzTransmitter loop: 200x200 m, current 10 to 12 A (M~4.105 to 5.105 A.m2)Receiver loop: 100 coils, 1 m diameterReceiver layout: centre and out of loop on each side

2D ERTprofiles

TD1_t

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TDEM: layout of the repeated

survey (April 2006)

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T a v o la 3

G r u p p op o m p e

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

T D 9

T D 5T D 8

T D 6

T D 1 2

T D 1 1 T D 1 0

T D 1 3

T D 1 4

T D 4

T D 1

T D 2

T D 3

T D 7

L o o p n ° 1

L o o p n ° 2

L o o p n ° 3

T a v o la 3

G r u p p op o m p eG r u p p op o m p epumps

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200 m

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TDEM data quality:

0.01 0.1 1 10

ms

1E-005

1E-004

1E-003

1E-002

1E-001

1E+000

1E+001

1E+002

mV

Data(10 A)

noise

sounding TD06/05(central loop, high

frequencies)

0.01 0.1 1 10

ms

1E-005

1E-004

1E-003

1E-002

1E-001

1E+000

1E+001

1E+002

1E+003

mV

sounding TD08/05(out of loop, high frequencies)

Data(10 A)

noise

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TDEM: results(view from SW)

Aquifer A1

Potential aquifer(unknown before this survey)

Inversion: 1D smooth (Occam, unconstrained)3D imaging via kriging interpolation of 1D models

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In-hole resistivity measurements(lateral array)

sand

gravel

sandy-gravel

clay

aquifer system

from Rapti-Caputo et al., Hydrogeology Journal, 2008, in print

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aquifer bulk resistivity

(m)

water conductivit

y(S/cm)

thickness (m)

formation factor

Estimated porosity

(%; m=1.3)

transmissivity (m2/s)

hydraulic conductivity

(m/sec)

A1 122* 530* 30±3 6.5 24 1.5x10-2 5x10-4

A2 225 380 13 8.5 19 5.2x10-3 4x10-4

A3 250 334 3 8.3 20 8.1x10-5 2.7x10-5

A6 330 296 >20 9.8 17 - -

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Geophysical and hydrogeological parameters of the aquifers

from Rapti-Caputo et al., 2008, in print on Hydrogeology Journal

*october 2005 data.average value estimated by 1D constrained inversion with fixed geometry, using bore-hole direct information and seismic data (Giustiniani et al., 2008, Geophysical Prospecting).Effective porosity was estimated using Archie’s law: a=1, m=1.3.

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Pompe Area dei pozzi di alimentazione dell’acquedotto

Estimated effective porosity of aquifer A1

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1 10 100 1000m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

Resistivity variations vs. time

Occam’s 1D inverted models of Soundings at the centre of loop_2 (left) and at the centre of loop_3 (right). Blue line: first survey; red line: repeated survey.

First confined aquifer A1: the resistivity increases about 13%Second confined aquifer A2: too low thickness-to-depth ratio (lack of resolution)

Sixth confined aquifer: large variations of depth of its base, due to electrical equivalence and lesser data quality at the latest TDEM decay times. Additional information is needed.

1 10 100 1000m

-1000

-800

-600

-400

-200

0

m-1000

-800

-600

-400

-200

0

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Resistivity variations vs. time

Electrical Conductivity (E.C) of water in the first confined aquifer measured “in situ”,

october 2005: about 530 S/cm in the test

area

E.C. measured on may 2006 in the test area :460 S/cm

Observed decrease: 13%, in excellent agreement with TDEM data.

from Rapti-Caputo et al., 2008

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Conclusions

Combining surface and in-hole resistivity data allows a satisfactory characterisation of a multi-aquifer sequence and of its main hydrogeological properties

Combined ERT-TDEM are an efficient tool to image aquifers in an alluvial mattress

TDEM has shown a sufficiently high sensitivity to resistivity variations, to be considered as a reliable tool for monitoring purposes;

Aknowledgements:Research carried out with the financial support of the EC, contract LIFE04 ENV/IT/00500.

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M. Giustiniani , F. Accaino, S. Picotti and U. Tinivella: ∗ Characterization of the shallow aquifers by high-resolution seismic data. Geophysical Prospecting, 2008, 56, 655–666

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Based on the well known analytical relationship given by Niwas and Singhal (1981):

T = KσR = KS/σ (2)where T = transmissivity, K = hydraulic conductivity, R = tρ (t and

ρ are the thickness and resistivity of the aquifer layer) is the transverse resistance and S = t/ρ is the longitudinal conductance of the aquifer layer under study, the transmissivity in the whole surveyed area can be evaluated for aquifers A1, A2 and A3, bearing in mind that in areas of similar geologic setting and water quality, the product Kσ remains fairly constant.