Geostatistical analysis and hydrofacies simulation for estimating the spatial variability of hydraulic conductivity in the Jianghan Plain, central China

Abstract

This study evaluated the spatial variability of hydraulic conductivity (K) along the Han River watershed in the Jianghan Plain (China) by using different geostatistical methods. The K distribution was estimated from 58 borehole measurements, and co-kriging estimates were obtained by incorporating 287 electrical resistivity (ρ) and 260 hydraulic gradient (I) values as auxiliary data. Additionally, 2,980 lithology samples were classified into three hydrofacies units in terms of decreasing K, which was simulated accordingly. The results indicate that the highest K values are in the western part of Shahu town and near the Yangtze River. The trend continues to diminish across western and northern Xiantao town and north-west of Xingou town, as well as across the transition zone from highland to lowland (from Shayang town to Zhanggang town). The low K values occur from the northern part of Jiukou town to Shayang town, and around Xingou town, and then are scattered around the high K values, with the lowest K values distributed in the north-west of the study area (from the catchment margin to the north of Shayang town), in Yanglinwei town, and east of Shahu town. As for the geostatistical methods, co-kriging estimates based on ρ and I highlight the variability of K, with the latter providing more realistic results. The three-dimensional hydrofacies model realistically represents the spatial distributions of K in the Quaternary aquifer system. The estimated results and hydrofacies simulation could provide a basic database for further groundwater modeling and water resource evaluation.

Résumé

Cette étude évalue la variabilité spatiale de la conductivité hydraulique (K) dans le bassin versant de la rivière Han, plaine de Jianghan (Chine), en utilisant différentes méthodes géostatistiques. La distribution de K est estimée à partir de mesures sur 58 forages et les estimations de cokrigeage obtenues en incorporant 287 valeurs de résistivité électrique (ρ) et 260 valeurs de gradient hydraulique (I) comme données auxiliaires. En complément, 2980 échantillons de roche ont été classés en trois unités d’hydrofaciès en termes de K décroissant, qui est simulé en conséquence. Les résultats indiquent que les valeurs les plus élevées de K sont situées dans la partie ouest de la ville de Shahu et à proximité du fleuve Yang Tsé. La tendance continue à diminuer vers l’ouest et le nord de la ville de Xiantao et le nord-ouest de la ville de Xingou, de même que le long de la zone de transition depuis les reliefs vers la plaine (de la ville de Shayang à celle de Zhanggang). Les valeurs faibles de K se situent entre la partie nord de la ville de Jiukou et celle de Shayang et autour de la ville de Xingou, puis elles sont dispersées autour de valeurs élevées de K, avec les valeurs les plus basses de K réparties dans le nord-ouest de la zone d’étude (depuis la bordure du bassin jusqu’au nord de la ville de Shayang), dans la ville de Yanglinwei et à l’est de la ville de Shahu. En ce qui concerne les méthodes géostatistiques, les estimations de cokrigeage basées sur ρ et I mettent en évidence la variabilité de K, le second paramétre produisant des résultats plus réalistes. Le modèle tridimensionnel des hydrofaciès représente de manière réaliste les distributions spatiales de K dans le système aquifère quaternaire. Les résultats estimés et la simulation des hydrofaciès pourraient constituer une base de données élémentaire en vue d’une modélisation hydrogéologique et d’évaluation des ressources en eau.

Resumen

Este estudio evaluó la variabilidad espacial de la conductividad hidráulica (K) a lo largo de la cuenca del río Han en la llanura de Jianghan (China) mediante el uso de diferentes métodos geoestadísticos. La distribución de K se estimó a partir de 58 mediciones de perforaciones, y se obtuvieron estimaciones de co-kriging incorporando 287 valores de resistividad eléctrica (ρ) y 260 de gradiente hidráulico (I) como datos auxiliares. Además, se clasificaron 2,980 muestras litológicas en tres unidades de hidrofacies en función de la disminución de K, que se simuló en consecuencia. Los resultados indican que los valores más altos de K se encuentran en la parte occidental de la ciudad de Shahu y cerca del río Yangtze. La tendencia sigue disminuyendo en el oeste y el norte de la ciudad de Xiantao y en el noroeste de la ciudad de Xingou, así como en la zona de transición de las zonas altas a las bajas (desde la ciudad de Shayang hasta la de Zhanggang). Los valores bajos de K se dan desde la parte norte de la ciudad de Jiukou hasta la ciudad de Shayang, y alrededor de la ciudad de Xingou, y luego se dispersan alrededor de los valores altos de K, con los valores más bajos de K distribuidos en el noroeste de la zona de estudio (desde el margen de la cuenca hasta el norte de la ciudad de Shayang), en la ciudad de Yanglinwei y al este de la ciudad de Shahu. En cuanto a los métodos geoestadísticos, las estimaciones de co-kriging basadas en ρ y en I ponen de manifiesto la variabilidad de K, siendo esta última la que proporciona resultados más realistas. El modelo tridimensional de hidrofacies representa de forma realista las distribuciones espaciales de K en el sistema acuífero cuaternario. Los resultados estimados y la simulación de la hidrofacies podrían proporcionar una base de datos básica para la posterior modelización de las aguas subterráneas y la evaluación de los recursos hídricos.

摘要

本文选定江汉平原汉江流域为研究区, 采用不同地质统计学方法研究了流域尺度下典型含水层渗透系数空间变异分布特征。通过58眼抽水钻孔反演的典型含水层渗透系数K并使用单变量克里金法估计了K场空间变异分布。为更充分利用多元地质信息在空间上分布的有用资料, 将287个岩土电阻率(ρ)和260个水力梯度(I)作为辅助变量与抽水试验反演K组成协同区域化变量用于协同克里金估计。此外, 还将2980个岩芯钻孔取样按K值范围递减划分为3个水相单元进行三维水相随机模拟。结果表明, K值最大地区出现在沙湖镇西部和长江附近; 较大K值出现在仙桃市西部和北部、新沟镇西北部以及丘陵山区向低平原区过渡地带(沙洋镇至张港市); 低K值出现在旧口镇北部至沙洋镇、新沟镇周边以及散布在局部高K值附近; K值最小出现在研究区西北部(流域边缘至沙洋镇北部), 杨林尾镇和沙湖镇东部。克里金估计中基于ρ和I的协同克里格估计更能真实表征局部范围内K场空间变异特征, 后者更为显著。三维水相模型真实还原了含水层渗透系数K空间结构。本研究结果可为江汉平原地下水数值模拟和水资源评价提供数据基础。

Resumo

Este estudo avaliou a variabilidade espacial da condutividade hidráulica (K) ao longo da bacia do Rio Han na Planície de Jianghan (China) usando diferentes métodos geoestatísticos. A distribuição K foi estimada a partir de 58 medições de poços, e as estimativas de cokrigagem foram obtidas incorporando 287 valores de resistividade elétrica (ρ) e 260 de gradiente hidráulico (I) como dados auxiliares. Além disso, 2,980 amostras de litologia foram classificadas em três unidades de hidrofácies em termos de K decrescente, que foi simulado de acordo. Os resultados indicam que os maiores valores de K estão na parte ocidental da cidade de Shahu e perto do Rio Yangtze. A tendência continua a diminuir no oeste e norte da cidade de Xiantao e no noroeste da cidade de Xingou, bem como na zona de transição do planalto para a planície (da cidade de Shayang para a cidade de Zhanggang). Os valores baixos de K ocorrem da parte norte da cidade de Jiukou até a cidade de Shayang, e ao redor da cidade de Xingou, e então estão espalhados ao redor dos valores altos de K, com os valores mais baixos de K distribuídos no noroeste da área de estudo (da bacia hidrográfica margem ao norte da cidade de Shayang), na cidade de Yanglinwei, e a leste da cidade de Shahu. Quanto aos métodos geoestatísticos, as estimativas de cokrigagem baseadas em ρ e I destacam a variabilidade de K, sendo que este último fornece resultados mais realistas. O modelo tridimensional de hidrofácies representa de forma realista as distribuições espaciais de K no sistema aquífero Quaternário. Os resultados estimados e a simulação de hidrofácies podem fornecer um banco de dados básico para posterior modelagem de águas subterrâneas e avaliação de recursos hídricos.