assessing recharge characteristics of recharge ponds using time

28
ABSTRACT & POWERPOINT PRESENTATION Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time Domain Electromagnetics (TDEM) Martin Miele, PGp, PG Lead Geophysicist United Water Conservation District Santa Paula, California Managed Aquifer Recharge Symposium January 25-26, 2011 Irvine, California Symposium Organizers: National Water Research Institute Orange County Water District Water Research Foundation www.nwri-usa.org/rechargesymposium2011.htm

Upload: hoangkhue

Post on 03-Jan-2017

225 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

ABSTRACT & POWERPOINT PRESENTATION

Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time Domain Electromagnetics (TDEM)

Martin Miele, PGp, PG Lead Geophysicist

United Water Conservation District Santa Paula, California

Managed Aquifer Recharge Symposium January 25-26, 2011 Irvine, California Symposium Organizers:

• National Water Research Institute • Orange County Water District • Water Research Foundation

www.nwri-usa.org/rechargesymposium2011.htm

Page 2: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Assessing Percolation and Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time Domain Electromagnetics (TDEM) 

 Martin Miele PGP, PG 

United Water Conservation District Santa Paula, California  93060 

 The United Water Conservation District (UWCD) is a public agency within Ventura County, California that is charged with conserving the water of the Santa Clara Rivers and tributaries.  UWCD works to manage the surface water and groundwater resources within seven groundwater basins.  The groundwater basins are within the more regional Ventura Basin, which is within the Transverse Range physiographic province.  The geology of the Transverse Range is primarily elongate east to west trending folds and complex faulting which creates the elongate mountains and valleys that dominate Ventura County.  UWCD stores surface water in a surface reservoir, diverts natural and reservoir released water, replenishes groundwater through percolation ponds, and delivers both diverted surface water and pumped groundwater to those areas vulnerable to overdraft and saline intrusion.  UWCD has been percolating diverted river water in the vicinity of Saticoy and El Rio spreading grounds since the 1920’s.  The percolation of water in the ponds is for the purpose of replenishing (recharge) groundwater supplies to the Upper Aquifer System (UAS) and Lower Aquifer System (LAS) in the Oxnard Forebay (recharge area)  and surrounding Oxnard Plain in Ventura County.  The Saticoy and El Rio spreading grounds consist of more than 20 ponds that are located in a geologically complex area (several faults/folds in the area).    Time‐domain electromagnetics (TDEM) is a geophysical exploration technique used to map subsurface geology and hydrogeologic conditions.  TDEM methods are able to determine subsurface electrical properties of earth materials.  It is a very common surface EM technique for groundwater exploration/definition, and for subsurface geologic mapping, used throughout the world.  Two fundamental electromagnetic principles are required to derive the physics behind TDEM surveys: Faraday's law of induction and Lenz's Law.  A loop of wire is energized by a direct current.  At some time (t0) the current is cut off as quickly as possible.  Faraday's law dictates that a nearly identical current is induced in the subsurface (eddy currents). The net result is a downward and outward diffusion of currents in the subsurface.  These currents produce a secondary magnetic field.  At the surface, the change in secondary magnetic field with time is measured.  The way the currents diffuse in the subsurface is related to the resistivity distribution in the ground which is used to determine the subsurface geology.  Resistivity changes are related to grain size, composition, water content, consolidation, aquifer characteristics, fracturing, etc.  TDEM measurements were taken within the 20 recharge ponds to assess the general subsurface geology and subsurface conditions of each pond.  These data were then compared to the recharge and percolation characteristics of each pond, and well logs in the area.  The results are then correlated to the subsurface geology as assessed with TDEM.  Since the ponds are in an area of complex geology the results show various characteristics.  This data may be used to assess the percolation and recharge characteristics for the development of future recharge ponds.  Results suggest the development of additional recharge facilities in the Oxnard Forebay will likely benefit the UAS more than the LAS.   

Page 3: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Assessing Recharge Characteristics Assessing Recharge Characteristics  of Recharge Ponds Using Time of Recharge Ponds Using Time 

Domain Electromagnetics (TDEM)Domain Electromagnetics (TDEM)

Martin Miele PGP, PG

United Water Conservation District

Santa Paula, California

Page 4: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

PresentationPresentation

• Overview of United Water Conservation District (UWCD) recharge basin facilities and 

functions.

• Discuss Time Domain Electromagnetic Induction theory and methodology (TDEM or TEM).

• Discuss and present results of TDEM surveys regarding subsurface

conditions, characteristics 

of recharge ponds and percolation.

This project was a test reconnaissance project.  It was conducted during a pause/break from a 

much larger TDEM project for saline water intrusion along the coast.  A high resolution 

geophysical survey is planned for this same overall recharge pond area this summer.

Page 5: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

UWCD Boundaries, Basins, and UWCD Boundaries, Basins, and  FacilitiesFacilities

RechargeBasins

Page 6: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Forebay to Oxnard Plain Forebay to Oxnard Plain  Basin CrossBasin Cross‐‐SectionSection

Saticoy and Noble recharge basins

SW

NE

NW SE

Page 7: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

The Facility The Facility ––

Freeman Diversion to Freeman Diversion to  Recharge PondsRecharge Ponds

Page 8: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Saticoy and Noble Recharge PondsSaticoy and Noble Recharge Ponds

Page 9: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Recharge CycleRecharge Cycle

• Basins filled and recharge rate decays exponentially (clogging

and mounding  

factors).

• Drying period can significantly rejuvenate infiltration rates (desiccation of clays and 

dispersion of groundwater mounds).

• Additional rejuvenation  through discing, ripping,  or scraping sediment on pond 

bottom restores higher recharge rates.

Page 10: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Measures ResistivityTDEM Measures Resistivity

Resistivity ‐

The property of a material which resists the  flow of electrical current (reciprocal of conductivity)

For typical aquifer applications resistivitymeasurements for a given formation aredependent upon:

• grain size• composition• degree of compaction or lithification• porosity• water content• water quality

Page 11: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Resistivity Used to Assess Recharge Resistivity Used to Assess Recharge  Basin CharacteristicsBasin Characteristics

Assess Overall Geology/Hydrogeology of the Area • Define subsurface conditions related to groundwater (define geology for 

determining the efficiency of basin to recharge aquifer)

• Aquifer delineation and groundwater storage characteristics (Managed Aquifer 

Recharge)

Assess Surface/Shallow Subsurface Materials (typically sediments)• Sandy/gravelly materials – high resistivity – high permeability and good 

percolation characteristics

• Clay/silt – low resistivity – low permeability and poor percolation characteristics

Page 12: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Time Domain Electromagnetic Time Domain Electromagnetic  Induction (TDEM)Induction (TDEM)

• Square transmitter loop laid out on land surface (typically 20 m to 200 m per side). 

• Square wave current signal of several amps (3 to 18 amps) applied.

• Current is cut off nearly instantaneously for each square wave (ramp time).  During this time the 

primary magnetic field is time variant.

• In accordance to Faraday’s Law the time variant nature of the primary magnetic field induces a 

secondary current in the ground beneath the loop.  It is an image of the transmitter loop.

• The secondary current begins to decay.   The decaying current similarly induces more current to flow 

(eddy currents)  that travel downward and outward into the subsurface like a series of smoke rings.  

The eddy currents have a associated secondary magnetic field.

Page 13: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Time Domain Electromagnetic Time Domain Electromagnetic  Induction (TDEM)Induction (TDEM)

• During time off periods, the receiver measures the decay of the secondary magnetic field from 

eddy currents over time.

• To reduce background noise and increase depth larger currents and larger transmitter loops are 

used (multiple wire turns can be used).

• Data is converted into apparent resistivity and is computer modeled into layered system.

Page 14: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Transmission and TDEM Transmission and  MeasurementsMeasurements

Transmitted Signal

Eddy Currents

Page 15: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Field SetupTDEM Field Setup

Page 16: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Data CharacteristicsTDEM Data Characteristics

• Each “sounding”

(measuring location) consists of  various frequency sweeps

• High frequencies represent the shallower materials  and low frequencies represent deeper materials

• Forward and Inversion model each sounding (match  observed and calculated data)

• Each model consists of several layers, each with a  different true resistivity.

Page 17: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM ModelingTDEM Modeling

Page 18: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Saticoy and Noble Recharge Basin Saticoy and Noble Recharge Basin  SurveysSurveys

• Conducted one sounding for each accessible pond (Ponds were mostly 

dry).

• Survey was conducted during a pause from a much larger TDEM survey for 

saline water intrusion.  More of a reconnaissance survey of ponds.

• Protem

47 (Geonics

LTD) – Higher Frequency System– Repetition Rates (frequency sweeps)  285 Hz, 75 Hz, 30 Hz

– Investigation depths from 2 to 200 meters (650 feet)

– Used for Upper Aquifer System

– Used 60 meter (200 feet) transmitter loop (battery)

Page 19: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Sounding Locations with TDEM Sounding Locations with  Saticoy and Noble Recharge BasinsSaticoy and Noble Recharge Basins

Page 20: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Geophysical Geophysical  CrossCross‐‐Section ASection A‐‐AA’’

Noble Basins

Page 21: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Geophysical Geophysical  CrossCross‐‐Section BSection B‐‐BB’’

Noble Basins

Page 22: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Geophysical Geophysical  CrossCross‐‐Section CSection C‐‐CC’’

?

?

Saticoy Basins

Page 23: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Geophysical Geophysical  CrossCross‐‐Section DSection D‐‐DD’’

? ?

? ?

Saticoy Basins

Page 24: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

ForebayForebay

FaultsFaults

Page 25: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Percolation DataPercolation Data

4.85 3.033.103.55

Percolation Values  (feet/day) Per Basin(Cross‐Section C‐C’) Saticoy

S N

Page 26: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

Percolation DataPercolation Data

S N

1.530.681.21

Percolation Values  (feet/day) Per Basin(Cross‐Section A‐A’) Noble

Page 27: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

TDEM Used to Assess Recharge Basin TDEM Used to Assess Recharge Basin  CharacteristicsCharacteristics

Assess Overall Geology/Hydrogeology of the Area • Define subsurface conditions related to groundwater (define geology for 

determining the efficiency of basin to recharge aquifer)

• Aquifer delineation and groundwater storage characteristics (Managed Aquifer 

Recharge)

Assess Surface/Shallow Subsurface Materials (typically sediments)• Sandy/gravelly materials – high resistivity – high permeability and good 

percolation characteristics

• Clay/silt – low resistivity – low permeability and poor percolation characteristics

Page 28: Assessing Recharge Characteristics of Recharge Ponds Using Time

The EndThe End

Questions?Questions?