Hidrológiai Közlöny, 2018 (98. évfolyam)
2018 / 1. szám - SZAKCIKKEK - Farkas-Karay Gyöngyi - Hajnal Géza - Birk, Steffen - Vasvári Vilmos: Nemlineáris áramlás próbaszivattyúzásokban jelentkező hatásának numerikus vizsgálata
40 Hidrológiai Közlöny 2018. 98. évf. 1. sz. Nemlineáris áramlás próbaszivattyúzásokban jelentkező hatásának numerikus vizsgálata Farkas-Karay Gyöngyi*, Hajnal Géza*, Steffen Birk**, Vasvári Vilmos* *Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Ilii Budapest, Műegyetem rakpart 3. Magyarország. (E-mail: karay.gyongyi@epito.bme.hu ) **Institut tűr Erdwissenschaften, Karl-Franzens-Universität Graz, 8010 Graz Heinrichstrasse 26, Österreich. Kivonat Próbaszivattyúzási adatok kiértékelésekor a hagyományosan alkalmazott elméleti görbéktől való eltérést nemlineáris áramlások jelentkezése is magyarázhatja. Ez a hatás még nem kellően ismert, ezért jelen munkában numerikus szimuláció segítségével elemeztük a nemlineáris felszín alatti áramlások próbaszivattyúzás-adatokra gyakorolt hatását. A Forchheimer-egyenletet felhasználó MODFLOW NLFP szoftver segítségével olyan elméleti vízadókat hoztunk létre, melyben a nemlineáris áramlások kialakulhattak. Ezen vízadók próbaszivattyúzása során előállított leszívás-idősorait Theis- és Jacob-módszerekkel elemeztük, hogy képet kapjunk, milyen paraméterek és termelőkúttól mért távolság esetén jelentős a nemlineáris áramlás próbaszivattyúzás adatsorokra gyakorolt hatása. Megállapítottuk, hogy milyen vízadók és hozamok esetén számíthatunk a nemlineáris áramlások megjelenésére, és bemutattuk, hogy több kút vagy hozam együttes vizsgálatával lehet csak ezt a hatást felismerni. A numerikus szimuláció eredményeképpen nyert idősorok tapasztalatait terepi próbaszivattyúzás-adatoknál is felhasználtuk. A rosszul illeszkedő Theis-görbe helyett a Jacob-módszer- rel, illetve numerikus modellel jól illeszkedő, nemlineáris áramlást is figyelembe vevő elméleti görbékkel határoztuk meg a vízadó paramétereit. Igazoltuk, hogy mind a Jacob-módszer, mind a MODFLOW NLFP használható nemlineáris áramlások elemzésére. Tapasztalataink alapján a nemlineáris áramlás igen jelentősen befolyásolhatja a próbaszivattyúzási adatokat, annak figyelmen kívül hagyása valóságtól eltérő vízadó-paraméterek megállapítására vezethet. Ennek elkerüléséhez kívánunk segítséget nyújtani jelen munkánkban. Kulcsszavak Próbaszivattyúzások, nemlineáris áramlás, Forchheimer-egyenlet, MODFLOW NLFP, Aqtesolv, Jacob-módszer. Numerical analysis of the effect of nonlinear flow on pumping tests Abstract During the evaluation of pumping test data many differences between the measured and the theoretical curves can occur. One of the feasible explanations is the nonlinear groundwater flow. The effect of the nonlinear flow is not fully described, so this work analyses it with the help of computer-generated and field test data. The MODFLOW NLPF and the Aqtesolv software were used. The NLFP uses the Forchheimer equation to describe nonlinear groundwater flow. With its help theoretical aquifers were generated in which the nonlinearity was allowed and a two-hour-long pumping test was prepared with seven-hour-long recovery measurements. The used aquifer parameters and pumping rates are showed in Table 1. The pumping test data of these aquifers was analysed with the Theis and Jacob methods. It is clear that the nonlinearity causes significant differences from the linear cases especially in the pumping well and in an observation well situated 1 m from the pumping well (Fig. I). With the Theis method a very good fitting was reachable on the influenced drawdown curves, but it did not reproduce the input parameters: there were orders of magnitude differences in the storativity (Fig. 3 and Table 2). Only the jointed analysis - the pumping well and an observation well or many observation wells or different pumping rates - is suitable to detect the effect of nonlinearity (Fig 4, 6, 7). The bad fitting points to an unknown effect which is not taken into account in the theory of the traditional evaluation methods - in these cases it was the nonlinearity. It was showed that the nonlinear flow can occur with high pumping rate, in thin aquifers with high ratio of Forchheimer-parameters (Eq. 13). According to the technical literature, high ratio of the Forchheimer-parameters can be expected in fractured and karstified rocks and in gravels. The Eq. 15 describes the area affected by nonlinear flow. When nonlinearity was taken into account with the use of the Jacob method, the modelled aquifer parameters were retrived. This method cannot be used to detect nonlinearity in one well with constant pumping rate but with the above mentioned jointed analysis the real aquifer parameters can be determined. The field test data was analysed by the Theis and Jacob method and also with an automatically calibrated MODFLOW NLFP model. The very bad fitting of the Theis-curve to the data showed that the method did not take into account an important hydraulic effect. By the Jacob method and MODFLOW NLFP better curve fittings were reachable, and the parameters obtained by the two methods were similar (Fig. 8, 9). Both the Jacob method - in which nonlinear well-losses are included - and the MODFLOW NLFP with automatic and manual calibration are applicable to the analysis of nonlinear flow in formation. Jacob- and Forchheimer-parameters can be compared with the Eq. 4. Keywords Pumping tests, nonlinear flow, Forchheimer-equation, MODFLOW NLFP, Aqtesolv, Jacob method. BEVEZETÉS Próbaszivattyúzások kiértékelése során sokszor tapasztalható jelenség, hogy a mért és az elmélet által meghatározott leszívás-visszatöltődési görbék eltérnek egymástól. Egyes eltérésekre magyarázatot adhat az elméletek által végtelen kiterjedésűnek tekintett vízadó réteg véges volta, a drén vagy a vízutánpótlás közelsége, a kútátmérő véges volta stb., de a gyakorlati életben folyamatosan merülnek fel újabb és újabb magyarázatra váró eltérések. Példaképpen említhető, mikor a leszívás és visszatöltődés adataira más paraméterekkel rendelkező vízadó elméleti görbéje illeszthető (Spitzberg és Ufrecht 2014), vagy a leszívás mért adatai egy idő után felülmúlják a korábban jól illeszkedő elméleti görbe által megadott értékeket (Karay és társai
