Joint inversion of geophysical and hydrologic data during water infiltration

Tese de doutoramento, Ciências Geofísicas e da Geoinformação (Geofísica), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

Soil apparent electrical conductivity is being considerably used as a surrogate measure for soil properties and hydraulic parameters. In this study, measurements of electrical conductivity were accomplished with Electrical Resistivity Tomography (ERT) and EM38 to develop the multiple datasets for defining spatiotemporal moisture content changes and also estimating the hydraulic properties of unsaturated soil under natural conditions and water injection test in two different sites. The First study was conducted at the campus of University of Lisbon in a location where had a loam soil, low permeability and high water retention capacity and the second site was a sandy soil with high permeability and low water retention capacity located in the east of Lisbon. Appropriate relationships were derived based on the determination of the experimental curve ρ vs. S by in-situ investigation to convert the electrical conductivity maps inferred from ERT and Em38 data to moisture content distribution images. In addition, the subsurface temperature variations during the experiment was measured and the effect of temperature variations over ERT images were removed by assuming 2% change in electrical resistivity per°C change in temperature. To estimate the hydraulic properties of unsaturated soil, flow simulations were firstly developed based on Richards’ equation and the retention and hydraulic conductivity functions of van Genuchten parametric models. Afterward, Uncoupled and coupled hydrogeophysical approaches were used in order to constrain the van Genuchten parameters.

A condutividade eléctrica tem sido frequentemente usada na investigação das propriedades e de parâmetros hidráulicos do solo. Neste estudo, foram realizadas medições de condutividade eléctrica usando a tomografia eléctrica (ERT) e o instrumento EM38, para a construção de uma base de dados a utilizar na avaliação das variações espacial e temporal das propriedades hidráulicas da camada não saturada do solo, em condições naturais e sujeito a um teste de injecção. Os estudos foram realizados em dois locais distintos. O primeiro estudo foi realizado no Campus da Universidade de Lisboa, num terreno argiloso, com baixa permeabilidade e com uma elevada capacidade de retenção de água. O segundo estudo foi realizado num local com um solo arenoso, com permeabilidade elevada e fraca capacidade de retenção de água, localizado a leste de Lisboa. A partir dos modelos calculados dos dados de ERT e EM38, e de resultados laboratoriais de amostras colhidas nos locais, foram obtidas relações experimentais entre a resistividade e o conteúdo de água no solo. Estas relações foram posteriormente usadas para a conversão dos modelos ERT e EM38 em mapas de conteúdo de água. A temperatura em profundidade foi também medida durante a realização dos perfis. Estes valores foram usados para corrigir os dados de ERT, assumindo uma variação de 2% no valor da resistividade pela variação da temperatura, de 1º Celsius. Foram realizadas simulações de fluxo de água, baseadas na equação de Richard, considerando os parâmetros de van Genuchten para a representação da retenção de condutividade hidráulica do solo, com o objectivo de obter estimativas das propriedades hidráulicas da camada não saturada do solo.

Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, SFRH/BD/66665/2009)