Do Simple Analytical Models Capture Complex Fractured Bedrock Hydraulics? Oscillatory Flow Tests Suggest Not
Do Simple Analytical Models Capture Complex Fractured Bedrock Hydraulics? Oscillatory Flow Tests Suggest Not
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简单的分析模型能否捕捉复杂的断裂基岩水力学？
DOI：
10.1111/gwat.13297
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
2.6
通讯作者：
Cardiff, Michael
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Patterson, Jeremy R.;Cardiff, Michael
裂隙沉积基岩含水层代表复杂的流动系统，可能包含快速的、裂隙主导的流动路径和较慢的、多孔介质主导的流动路径。因此，确定通过这些含水层的水流和迁移的动态特征仍然是一项基本的水文地质挑战。最近的研究已经证明了一种新的水力测试方法，振荡流测试，在现场设置的实用性，以表征嵌入在低孔隙度沉积基岩中的单一基岩裂缝。这些研究采用了一个理想化的分析模型，假设达西流通过一个非变形，恒定孔径，非泄漏裂缝的数据解释，并报告了周期相关的有效裂缝流动参数。在这里，我们介绍了在裂缝沉积岩研究现场，在嵌入胶结不良的沉积基岩中具有相当大的原生孔隙度的裂缝上，在一系列频率和井间间距范围内应用振荡流测试。与以前的研究一致，我们显示了一个明显的周期依赖于回流参数，水力扩散率降低和存储增加振荡周期时，假设一个理想化的裂缝概念模型。我们提出了简单的分析，检查非达西流和钻孔存储效应作为潜在的测试设计工件和一个简单的分析模型，检查流体泄漏到周围的主机岩石作为一个潜在的水力机制，可能有助于与周期相关的流动参数。这些分析代表了一系列关于水力测试期间断裂行为的概念性假设，其中没有一个解释了振荡流测试期间测量的响应，这导致我们认为其他水力过程（例如，孔径不均匀性和/或断裂流体力学）对于精确地表示通过断裂沉积基岩的压力传播是必要的。
Fractured sedimentary bedrock aquifers represent complex flow systems that may contain fast, fracture‐dominated flow paths and slower, porous media‐dominated flow paths. Thus, characterizing the dynamics of flow and transport through these aquifers remains a fundamental hydrogeologic challenge. Recent studies have demonstrated the utility of a novel hydraulic testing approach, oscillatory flow testing, in field settings to characterize single bedrock fractures embedded in low‐porosity sedimentary bedrock. These studies employed an idealized analytical model assuming Darcian flow through a nondeforming, constant‐aperture, nonleaky fracture for data interpretation, and reported period‐dependent effective fracture flow parameters. Here, we present the application of oscillatory flow testing across a range of frequencies and inter‐well spacings on a fracture embedded in poorly cemented sedimentary bedrock with considerable primary porosity at the Field Site for Research in Fractured Sedimentary Rock. Consistent with previous studies, we show an apparent period‐dependence in returned flow parameters, with hydraulic diffusivity decreasing and storativity increasing with increasing oscillation period, when assuming an idealized fracture conceptual model. We present simple analyses that examine non‐Darcian flow and borehole storage effects as potential test design artifacts and a simple analytical model that examines fluid leakage to the surrounding host rock as a potential hydraulic mechanism that might contribute to the period‐dependent flow parameters. These analyses represent a range of conceptual assumptions about fracture behavior during hydraulic testing, none of which account for the measured responses during oscillatory flow testing, leading us to argue that other hydraulic processes (e.g., aperture heterogeneity and/or fracture hydromechanics) are necessary to accurately represent pressure propagation through fractured sedimentary bedrock.
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