Bayesian-MCMC inversion of time-lapse geophysical data to characterize vadose zone hydraulic behaviour

Geophysical methods have the potential to provide valuable information on hydrological properties in the unsaturated zone. In particular, time-lapse geophysical data, when coupled with a hydrological model and inverted stochastically, may allow for the effective estimation of subsurface hydraulic parameters and their corresponding uncertainties. In this study, we use a Bayesian Markov-chain-Monte-Carlo (MCMC) inversion approach to investigate how much information regarding vadose zone hydraulic properties can be retrieved from time-lapse crosshole GPR data collected at the Arrenaes field site in Denmark during a forced infiltration experiment.

Integrated application of geochemical and geophysical methods for hydrogeological impact assessment for tunneling in fractured rock

The interaction of tunneling with groundwater is a problem both from an environmental and an engineering point of view. In fact, tunnel drilling may cause a drawdown of piezometric levels and water inflows into tunnels that may cause problems during excavation of the tunnel. While the influence of tunneling on the regional groundwater systems may be adequately predicted in porous media using analytical solutions, such an approach is difficult to apply in fractured rocks. Numerical solutions are preferable and various conceptual approaches have been proposed to describe and model groundwater flow through fractured rock masses, ranging from equivalent continuum models to discrete fracture network simulation models. However, their application needs many preliminary investigations on the behavior of the groundwater system based on hydrochemical and structural data. To study large scale flow systems in fractured rocks of mountainous terrains, a comprehensive study was conducted in southern Switzerland, using as case studies two infrastructures actually under construction: (i) the Monte Ceneri base railway tunnel (Ticino), and the (ii) San Fedele highway tunnel (Roveredo, Graubiinden). The chosen approach in this study combines the temporal and spatial variation of geochemical and geophysical measurements. About 60 localities from both surface and underlying tunnels were temporarily and spatially monitored during more than one year. At first, the project was focused on the collection of hydrochemical and structural data. A number of springs, selected in the area surrounding the infrastructures, were monitored for discharge, electric conductivity, pH, and temperature. Water samples (springs, tunnel inflows and rains) were taken for isotopic analysis; in particular the stable isotope composition (δ2Η, δ180 values) can reflect the origin of the water, because of spatial (recharge altitude, topography, etc.) and temporal (seasonal) effects on precipitation which in turn strongly influence the isotopic composition of groundwater. Tunnel inflows in the accessible parts of the tunnels were also sampled and, if possible, monitored with time. Noble-gas concentrations and their isotope ratios were used in selected locations to better understand the origin and the circulation of the groundwater. In addition, electrical resistivity and VLF-type electromagnetic surveys were performed to identify water bearing fractures and/or weathered areas that could be intersected at depth during tunnel construction. The main goal of this work was to demonstrate that these hydrogeological data and geophysical methods, combined with structural and hydrogeological information, can be successfully used in order to develop hydrogeological conceptual models of the groundwater flow in regions to be exploited for tunnels. The main results of the project are: (i) to have successfully tested the application of electrical resistivity and VLF-electromagnetic surveys to asses water-bearing zones during tunnel drilling; (ii) to have verified the usefulness of noble gas, major ion and stable isotope compositions as proxies for the detection of faults and to understand the origin of the groundwater and its flow regimes (direct rain water infiltration or groundwater of long residence time); and (iii) to have convincingly tested the combined application of a geochemical and geophysical approach to assess and predict the vulnerability of springs to tunnel drilling. - L'interférence entre eaux souterraines et des tunnels pose des problèmes environnementaux et de génie civile. En fait, la construction d'un tunnel peut faire abaisser le niveau des nappes piézométriques et faire infiltrer de l'eau dans le tunnel et ainsi créer des problème pendant l'excavation. Alors que l'influence de la construction d'un tunnel sur la circulation régionale de l'eau souterraine dans des milieux poreux peut être prédite relativement facilement par des solution analytiques de modèles, ceci devient difficile dans des milieux fissurés. Dans ce cas-là, des solutions numériques sont préférables et plusieurs approches conceptuelles ont été proposées pour décrire et modéliser la circulation d'eau souterraine à travers les roches fissurées, en allant de modèles d'équivalence continue à des modèles de simulation de réseaux de fissures discrètes. Par contre, leur application demande des investigations importantes concernant le comportement du système d'eau souterraine basées sur des données hydrochimiques et structurales. Dans le but d'étudier des grands systèmes de circulation d'eau souterraine dans une région de montagnes, une étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction: (i) Le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri (Tessin) et (ii) le tunnel routière de San Fedele (Roveredo, Grisons). L'approche choisie dans cette étude est la combinaison de variations temporelles et spatiales des mesures géochimiques et géophysiques. Environs 60 localités situées à la surface ainsi que dans les tunnels soujacents ont été suiviès du point de vue temporel et spatial pendant plus de un an. Dans un premier temps le projet se focalisait sur la collecte de données hydrochimiques et structurales. Un certain nombre de sources, sélectionnées dans les environs des infrastructures étudiées ont été suivies pour le débit, la conductivité électrique, le pH et la température. De l'eau (sources, infiltration d'eau de tunnel et pluie) a été échantillonnés pour des analyses isotopiques; ce sont surtout les isotopes stables (δ2Η, δ180) qui peuvent indiquer l'origine d'une eaux, à cause de la dépendance d'effets spatiaux (altitude de recharge, topographie etc.) ainsi que temporels (saisonaux) sur les précipitations météoriques , qui de suite influencent ainsi la composition isotopique de l'eau souterraine. Les infiltrations d'eau dans les tunnels dans les parties accessibles ont également été échantillonnées et si possible suivies au cours du temps. La concentration de gaz nobles et leurs rapports isotopiques ont également été utilisées pour quelques localités pour mieux comprendre l'origine et la circulation de l'eau souterraine. En plus, des campagnes de mesures de la résistivité électrique et électromagnétique de type VLF ont été menées afin d'identifier des zone de fractures ou d'altération qui pourraient interférer avec les tunnels en profondeur pendant la construction. Le but principal de cette étude était de démontrer que ces données hydrogéologiques et géophysiques peuvent être utilisées avec succès pour développer des modèles hydrogéologiques conceptionels de tunnels. Les résultats principaux de ce travail sont : i) d'avoir testé avec succès l'application de méthodes de la tomographie électrique et des campagnes de mesures électromagnétiques de type VLF afin de trouver des zones riches en eau pendant l'excavation d'un tunnel ; ii) d'avoir prouvé l'utilité des gaz nobles, des analyses ioniques et d'isotopes stables pour déterminer l'origine de l'eau infiltrée (de la pluie par le haut ou ascendant de l'eau remontant des profondeurs) et leur flux et pour déterminer la position de failles ; et iii) d'avoir testé d'une manière convainquant l'application combinée de méthodes géochimiques et géophysiques pour juger et prédire la vulnérabilité de sources lors de la construction de tunnels. - L'interazione dei tunnel con il circuito idrico sotterraneo costituisce un problema sia dal punto di vista ambientale che ingegneristico. Lo scavo di un tunnel puô infatti causare abbassamenti dei livelli piezometrici, inoltre le venute d'acqua in galleria sono un notevole problema sia in fase costruttiva che di esercizio. Nel caso di acquiferi in materiale sciolto, l'influenza dello scavo di un tunnel sul circuito idrico sotterraneo, in genere, puô essere adeguatamente predetta attraverso l'applicazione di soluzioni analitiche; al contrario un approccio di questo tipo appare inadeguato nel caso di scavo in roccia. Per gli ammassi rocciosi fratturati sono piuttosto preferibili soluzioni numeriche e, a tal proposito, sono stati proposti diversi approcci concettuali; nella fattispecie l'ammasso roccioso puô essere modellato come un mezzo discreto ο continuo équivalente. Tuttavia, una corretta applicazione di qualsiasi modello numerico richiede necessariamente indagini preliminari sul comportamento del sistema idrico sotterraneo basate su dati idrogeochimici e geologico strutturali. Per approfondire il tema dell'idrogeologia in ammassi rocciosi fratturati tipici di ambienti montani, è stato condotto uno studio multidisciplinare nel sud della Svizzera sfruttando come casi studio due infrastrutture attualmente in costruzione: (i) il tunnel di base del Monte Ceneri (canton Ticino) e (ii) il tunnel autostradale di San Fedele (Roveredo, canton Grigioni). L'approccio di studio scelto ha cercato di integrare misure idrogeochimiche sulla qualité e quantité delle acque e indagini geofisiche. Nella fattispecie sono state campionate le acque in circa 60 punti spazialmente distribuiti sia in superficie che in sotterraneo; laddove possibile il monitoraggio si è temporalmente prolungato per più di un anno. In una prima fase, il progetto di ricerca si è concentrato sull'acquisizione dati. Diverse sorgenti, selezionate nelle aree di possibile influenza attorno allé infrastrutture esaminate, sono state monitorate per quel che concerne i parametri fisico-chimici: portata, conduttività elettrica, pH e temperatura. Campioni d'acqua sono stati prelevati mensilmente su sorgenti, venute d'acqua e precipitazioni, per analisi isotopiche; nella fattispecie, la composizione in isotopi stabili (δ2Η, δ180) tende a riflettere l'origine delle acque, in quanto, variazioni sia spaziali (altitudine di ricarica, topografia, etc.) che temporali (variazioni stagionali) della composizione isotopica delle precipitazioni influenzano anche le acque sotterranee. Laddove possibile, sono state campionate le venute d'acqua in galleria sia puntualmente che al variare del tempo. Le concentrazioni dei gas nobili disciolti nell'acqua e i loro rapporti isotopici sono stati altresi utilizzati in alcuni casi specifici per meglio spiegare l'origine delle acque e le tipologie di circuiti idrici sotterranei. Inoltre, diverse indagini geofisiche di resistività elettrica ed elettromagnetiche a bassissima frequenza (VLF) sono state condotte al fine di individuare le acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso. Principale obiettivo di questo lavoro è stato dimostrare come misure idrogeochimiche ed indagini geofisiche possano essere integrate alio scopo di sviluppare opportuni modelli idrogeologici concettuali utili per lo scavo di opere sotterranee. I principali risultati ottenuti al termine di questa ricerca sono stati: (i) aver testato con successo indagini geofisiche (ERT e VLF-EM) per l'individuazione di acque sotterranee circolanti attraverso fratture dell'ammasso roccioso e che possano essere causa di venute d'acqua in galleria durante lo scavo di tunnel; (ii) aver provato l'utilità di analisi su gas nobili, ioni maggiori e isotopi stabili per l'individuazione di faglie e per comprendere l'origine delle acque sotterranee (acque di recente infiltrazione ο provenienti da circolazioni profonde); (iii) aver testato in maniera convincente l'integrazione delle indagini geofisiche e di misure geochimiche per la valutazione della vulnérabilité delle sorgenti durante lo scavo di nuovi tunnel. - "La NLFA (Nouvelle Ligne Ferroviaire à travers les Alpes) axe du Saint-Gothard est le plus important projet de construction de Suisse. En bâtissant la nouvelle ligne du Saint-Gothard, la Suisse réalise un des plus grands projets de protection de l'environnement d'Europe". Cette phrase, qu'on lit comme présentation du projet Alptransit est particulièrement éloquente pour expliquer l'utilité des nouvelles lignes ferroviaires transeuropéens pour le développement durable. Toutefois, comme toutes grandes infrastructures, la construction de nouveaux tunnels ont des impacts inévitables sur l'environnement. En particulier, le possible drainage des eaux souterraines réalisées par le tunnel peut provoquer un abaissement du niveau des nappes piézométriques. De plus, l'écoulement de l'eau à l'intérieur du tunnel, conduit souvent à des problèmes d'ingénierie. Par exemple, d'importantes infiltrations d'eau dans le tunnel peuvent compliquer les phases d'excavation, provoquant un retard dans l'avancement et dans le pire des cas, peuvent mettre en danger la sécurité des travailleurs. Enfin, l'infiltration d'eau peut être un gros problème pendant le fonctionnement du tunnel. Du point de vue de la science, avoir accès à des infrastructures souterraines représente une occasion unique d'obtenir des informations géologiques en profondeur et pour échantillonner des eaux autrement inaccessibles. Dans ce travail, nous avons utilisé une approche pluridisciplinaire qui intègre des mesures d'étude hydrogéochimiques effectués sur les eaux de surface et des investigations géophysiques indirects, tels que la tomographic de résistivité électrique (TRE) et les mesures électromagnétiques de type VLF. L'étude complète a été fait en Suisse italienne, basée sur deux grandes infrastructures actuellement en construction, qui sont le tunnel ferroviaire de base du Monte Ceneri, une partie du susmentionné projet Alptransit, situé entièrement dans le canton Tessin, et le tunnel routière de San Fedele, situé a Roveredo dans le canton des Grisons. Le principal objectif était de montrer comment il était possible d'intégrer les deux approches, géophysiques et géochimiques, afin de répondre à la question de ce que pourraient être les effets possibles dû au drainage causés par les travaux souterrains. L'accès aux galeries ci-dessus a permis une validation adéquate des enquêtes menées confirmant, dans chaque cas, les hypothèses proposées. A cette fin, nous avons fait environ 50 profils géophysiques (28 imageries électrique bidimensionnels et 23 électromagnétiques) dans les zones de possible influence par le tunnel, dans le but d'identifier les fractures et les discontinuités dans lesquelles l'eau souterraine peut circuler. De plus, des eaux ont été échantillonnés dans 60 localités situées la surface ainsi que dans les tunnels subjacents, le suivi mensuelle a duré plus d'un an. Nous avons mesurés tous les principaux paramètres physiques et chimiques: débit, conductivité électrique, pH et température. De plus, des échantillons d'eaux ont été prélevés pour l'analyse mensuelle des isotopes stables de l'hydrogène et de l'oxygène (δ2Η, δ180). Avec ces analyses, ainsi que par la mesure des concentrations des gaz rares dissous dans les eaux et de leurs rapports isotopiques que nous avons effectués dans certains cas spécifiques, il était possible d'expliquer l'origine des différents eaux souterraines, les divers modes de recharge des nappes souterraines, la présence de possible phénomènes de mélange et, en général, de mieux expliquer les circulations d'eaux dans le sous-sol. Le travail, même en constituant qu'une réponse partielle à une question très complexe, a permis d'atteindre certains importants objectifs. D'abord, nous avons testé avec succès l'applicabilité des méthodes géophysiques indirectes (TRE et électromagnétiques de type VLF) pour prédire la présence d'eaux souterraines dans le sous-sol des massifs rocheux. De plus, nous avons démontré l'utilité de l'analyse des gaz rares, des isotopes stables et de l'analyses des ions majeurs pour la détection de failles et pour comprendre l'origine des eaux souterraines (eau de pluie par le haut ou eau remontant des profondeurs). En conclusion, avec cette recherche, on a montré que l'intégration des ces informations (géophysiques et géochimiques) permet le développement de modèles conceptuels appropriés, qui permettant d'expliquer comment l'eau souterraine circule. Ces modèles permettent de prévoir les infiltrations d'eau dans les tunnels et de prédire la vulnérabilité de sources et des autres ressources en eau lors de construction de tunnels.

The ager tarraconensis project (right side of river Francoli) (PAT): the application of geophysical survey to identify rural Roman settlement typologies

The methodology of the ager Tarraconensis project also included geophysical surveys aiming to distinguish different categories of rural settlements. Two geophysical techniques (resistivity and magnetometry) were combined to reveal traces of unearth structures from a selection of sites identified from the field survey. Results of geophysical surveys of these seven sites as well as conclusions obtained from this approach are discussed here.

A non-linear Bayesian approach for upscaling local-scale hydraulic conductivity measurements based on local- and regional-scale geophysical data

Significant progress has been made with regard to the quantitative integration of geophysical and hydrological data at the local scale. However, extending the corresponding approaches to the regional scale represents a major, and as-of-yet largely unresolved, challenge. To address this problem, we have developed an upscaling procedure based on a Bayesian sequential simulation approach. This method is then applied to the stochastic integration of low-resolution, regional-scale electrical resistivity tomography (ERT) data in combination with high-resolution, local-scale downhole measurements of the hydraulic and electrical conductivities. Finally, the overall viability of this upscaling approach is tested and verified by performing and comparing flow and transport simulation through the original and the upscaled hydraulic conductivity fields. Our results indicate that the proposed procedure does indeed allow for obtaining remarkably faithful estimates of the regional-scale hydraulic conductivity structure and correspondingly reliable predictions of the transport characteristics over relatively long distances.

Forest owners' acceptance of incentive based policy instruments in forest biodiversity conservation : a choice experiment based approach

Abstract

Stochastic inversion of tracer test and electrical geophysical data to estimate hydraulic conductivities.

Quantifying the spatial configuration of hydraulic conductivity (K) in heterogeneous geological environments is essential for accurate predictions of contaminant transport, but is difficult because of the inherent limitations in resolution and coverage associated with traditional hydrological measurements. To address this issue, we consider crosshole and surface-based electrical resistivity geophysical measurements, collected in time during a saline tracer experiment. We use a Bayesian Markov-chain-Monte-Carlo (McMC) methodology to jointly invert the dynamic resistivity data, together with borehole tracer concentration data, to generate multiple posterior realizations of K that are consistent with all available information. We do this within a coupled inversion framework, whereby the geophysical and hydrological forward models are linked through an uncertain relationship between electrical resistivity and concentration. To minimize computational expense, a facies-based subsurface parameterization is developed. The Bayesian-McMC methodology allows us to explore the potential benefits of including the geophysical data into the inverse problem by examining their effect on our ability to identify fast flowpaths in the subsurface, and their impact on hydrological prediction uncertainty. Using a complex, geostatistically generated, two-dimensional numerical example representative of a fluvial environment, we demonstrate that flow model calibration is improved and prediction error is decreased when the electrical resistivity data are included. The worth of the geophysical data is found to be greatest for long spatial correlation lengths of subsurface heterogeneity with respect to wellbore separation, where flow and transport are largely controlled by highly connected flowpaths.

Instruments for investigating fitness to drive - needs and expectations in primary care: a qualitative study

Background: Primary care physicians are often requested to assess their patients' fitness to drive. Little is however known on their needs to help them in this task. Aims: The aim of this study is to develop theories on needs, expectations, and barriers for clinical instruments helping physicians assess fitness to drive in primary care. Methods: This qualitative study used semi-structured interviews to investigate needs and expectations for instruments used to assess fitness to drive. From August 2011 to April 2013, we recorded opinions from five experts in traffic medicine, five primary care physicians, and five senior drivers. All interviews were integrally transcribed. Two independent researchers extracted, coded, and stratified categories relying on multi-grounded theory. All participants validated the final scheme. Results: Our theory suggests that for an instruments assessing fitness to drive to be implemented in primary care, it need to contribute to the decisional process. This requires at least five conditions: 1) it needs to reduce the range of uncertainty, 2) it needs to be adapted to local resources and possibilities, 3) it needs to be accepted by patients, 4) choices of tasks need to adaptable to clinical conditions, 5) and interpretation of results need to remain dependant of each patient's context. Discussion and conclusions: Most existing instruments assessing fitness to drive are not designed for primary care settings. Future instruments should also aim to support patient-centred dialogue, help anticipate driving cessation, and offer patients the opportunity to freely take their own decision on driving cessation as often as possible.

Impact des instruments de recevabilité sur la mise en oeuvre des politiques d'insertion socioprofessionnelle en Suisse romande

Cette thèse vise à apporter des éléments concrets permettant d'évaluer l'efficacité et la pertinence de la nouvelle gestion publique (NGP) dans le contexte de l'assurance-chômage en Suisse. Ancrée dans une approche des politiques publiques partant de ces dernières telles qu'elles sont mises en oeuvre plutôt que de ce qu'elles devraient être, elle s'attache à observer l'impact d'une catégorie spécifique d'instruments de gestion caractéristiques de la NGP, les instruments de redevabilité. La redevabilité désigne la nécessité ou l'obligation qu'ont des individus ou des organisations de rendre compte de leurs activités, d'en accepter la responsabilité et d'en exposer les résultats de façon transparente. À partir d'un matériau empirique constitué d'entretiens semi-directifs et d'observations participantes et non-participantes, complété par l'analyse d'un corpus documentaire varié, elle répond à cinq questions de recherche liant les agents de base, les managers qui les encadrent et les instruments gestionnaires de redevabilité. Ces questions concernent les effets réels, désirés ou non, des instruments gestionnaires encadrant la mise en oeuvre des politiques d'insertion socioprofessionnelle. Elles permettent également d'évaluer la pertinence des instruments de la NGP au regard de l'objectif général d'amélioration de la qualité du service aux usagers. En résumé, les instruments étudiés incitent les managers et les agents à la conformité (légale et budgétaire) et entraînent des conséquences inattendues limitant l'efficacité des interventions, ce qui met en question la pertinence du lien entre NGP et qualité du service rendu aux usagers. Les résultats obtenus font également ressortir l'importance d'étudier l'ensemble de la chaîne d'exécution des politiques publiques en tenant compte des interactions entre niveaux.

Falsification and corroboration of conceptual hydrological models using geophysical data

Geophysical data may provide crucial information about hydrological properties, states, and processes that are difficult to obtain by other means. Large data sets can be acquired over widely different scales in a minimally invasive manner and at comparatively low costs, but their effective use in hydrology makes it necessary to understand the fidelity of geophysical models, the assumptions made in their construction, and the links between geophysical and hydrological properties. Geophysics has been applied for groundwater prospecting for almost a century, but it is only in the last 20 years that it is regularly used together with classical hydrological data to build predictive hydrological models. A largely unexplored venue for future work is to use geophysical data to falsify or rank competing conceptual hydrological models. A promising cornerstone for such a model selection strategy is the Bayes factor, but it can only be calculated reliably when considering the main sources of uncertainty throughout the hydrogeophysical parameter estimation process. Most classical geophysical imaging tools tend to favor models with smoothly varying property fields that are at odds with most conceptual hydrological models of interest. It is thus necessary to account for this bias or use alternative approaches in which proposed conceptual models are honored at all steps in the model building process.