Corinna Abesser

Mapping suitability for open-loop ground source heat pump systems: a screening tool for England and Wales, UK

The UK Government expects that, by 2020, 12% of the UK’s heat demand will come from renewable sources, and is providing incentives to help achieve this. Open-loop ground source heat pumps (GSHP) could make a substantial contribution. A web-based screening tool has been developed that highlights areas where conditions may be suitable for installing commercial-scale (>100 kW heating or cooling demand) open-loop GSHP systems in England and Wales. In addition to the basic requirements for open-loop GSHP (i.e. the availability of a sufficiently productive aquifer within a reasonable depth beneath the surface) the tool provides information on existing abstractions, water chemistry and the location of protected areas. Validation and tool application show that it produces reliable results and provides an effective method for the initial assessment of subsurface conditions and suitability for GSHP installations. Hence, the tool can help to reduce uncertainty at the early planning stage, and also to promote GSHP technology to a variety of audiences.

A semi-quantitative technique for mapping potential aquifer productivity on the national scale: example of England and Wales (UK)

The development and validation of aquifer productivity and depth-to-source maps for England and Wales are described. Aquifer productivity maps can provide valuable support for the assessment, planning and management of groundwater and renewable heat energy resources. Aquifer productivity is often mapped using geostatistical interpolation techniques such as kriging, but these techniques tend to be unsuitable for mapping at the national scale due to the high data (and time) demands. A methodology is outlined for mapping aquifer productivity at the national scale using existing national-scale data sets. Pumping test data are used to characterise the potential borehole yields that different geological formations of varying lithologies and ages can provide. Based on this analysis and using expert knowledge, the corresponding map codes on the geological map are assigned to potential productivity classes. The subsurface (concealed) extent of aquifer units is mapped from geophysical data, and together with the attributed geological map, provide the bedrock-aquifer productivity map. Drilling and pumping costs can be an important consideration when evaluating the feasibility of developing a groundwater source. Thus, a map of the approximate depth to source is developed alongside the aquifer productivity map. The maps are validated using independent data sets, and map performance is compared against performance from maps derived by random and uniform attribution. The results show that the maps successfully predict potential productivity and approximate depth to the water source, although utility of the depth-to-source map could be improved by increasing the vertical discretisation at which depth intervals are mapped.ZusammenfassungDieser Artikel beschreibt die Entwicklung und Validierung von Grundwasserproduktivitäts- und -tiefenkarten für England und Wales. Die Karten stellen wertvolle Informationen bereit zur Unterstützung bei der Evaluierung, Planung und Bewirtschaftung von Grundwasser- und erneuerbaren Wärmeressourcen. Grundwasserproduktivität wird oft mittels geostatistischer Interpolationsmethoden, wie z.B. Kriging, kartiert. Diese Techniken sind aufgrund ihrer hohen Daten- (und Zeit) -anforderungen generell ungeeignet für die Zuordnung auf nationaler Ebene. In dieser Studie wird eine Methode vorgestellt, die zur Kartierung der Grundwasserproduktivität auf nationaler Ebene geeignet ist und auf der Nutzung von bereits vorhandenen, nationalen Datensätzen basiert. Dafür wird zunächst die potenzielle Grundwasserproduktivität verschiedener geologischer Formationen anhand von Pumpversuchsdaten abgeschätzt. Basierend auf dieser Analyse und unter Verwendung von Expertenwissen wird jeder Formation in der geologischen Karte eine entsprechende (potenzielle) Produktivitätsklasse zugeordnet. Die räumliche Ausbreitung verdeckter Grundwasserleiter im Untergrund wird anhand geophysikalischer Daten ermittelt. Die resultierende Karte wird mit der attributierten geologischen Karte kombiniert und zusammen bilden diese die Grundwasserproduktivitätskarte. Bohr- und Pumpkosten sind ein wichtiger Aspekt bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Grundwasserquelle. Um dies zu berücksichtigen, wurde zusätzlich zur Grundwasserproduktivitätskarte auch eine Karte zur ungefähren Grundwasser- und erforderlichen Bohrtiefe (=ungefähre Quellentiefe) erstellt. Beide Karten wurden durch den Vergleich mit unabhängigen Datensätzen validiert. Zusätzlich wurde ihre Fähigkeit, Grundwasserproduktivität und ungefähre Quellentiefe zu bestimmen mit der Vorhersagefähigkeit von Karten mit willkürlicher (random) und mit einheitlicher (uniform) Zuordnung verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Karten erfolgreich potenzielle Produktivität und ungefähre Quellentiefe vorhersagen können, obwohl letztere durch die Erhöhung der vertikalen Tiefendiskretisierung verbessert werden könnte.RésuméLe développement et la validation des cartes de productivité des aquifères et de profondeur d’accès à la nappe pour l’Angleterre et le Pays-de-Galles sont décrits. Les cartes de productivité des aquifères peuvent constituer une aide précieuse pour évaluer, planifier et gérer les eaux souterraines et les ressources en énergie renouvelable géothermique. La productivité d’un aquifère est souvent cartographiée en utilisant des techniques d’interpolation géostatistique, telles que le krigeage, mais ces techniques deviennent inadaptées pour la cartographie à une échelle nationale en raison du grand nombre de données (et du temps) nécessaire. Une méthodologie est présentée pour cartographier la productivité des aquifères à l’échelle nationale, en utilisant les données disponibles à cette échelle. Les données d’essai de pompage sont utilisées pour caractériser les débits potentiels d’exploitation de forages que les différentes formations géologiques, d’âges et de lithologies variées, peuvent fournir. A partir de cette analyse et en utilisant les connaissances à dire d’expert, des codes de correspondance cartographique sont établis entre la carte géologique et des classes de productivité d’aquifère. L’extension (sous couverture) de sub-surface des unités aquifères est cartographiée à partir des données géophysiques, et associé à la carte géologique, fournit la carte de productivité des aquifères du substratum rocheux. Les coûts de forage et de pompage peuvent être un facteur important pour évaluer la faisabilité de l’exploitation d’une ressource aquifère. Ainsi, une carte de la profondeur approximative d’accès à la nappe est développée en même temps que la carte de productivité des aquifères. Les cartes sont validées en utilisant des jeux de données indépendants, et la qualité de la carte est comparée à la qualité des cartes dérivées d’une attribution aléatoire ou uniforme. Les résultats indiquent que les cartes prédisent avec succès la productivité potentielle des aquifères et la profondeur approximative d’accès à la nappe, bien que la fonctionnalité de la carte de profondeur d’accès à la nappe pourrait être améliorée en augmentant la discrétisation verticale des intervalles de profondeur.ResumenSe describen el desarrollo y la validación de mapas de la productividad de acuíferos y de la profundidad de la fuente en Inglaterra y Gales. Los mapas de productividad de los acuíferos pueden proporcionar un valioso apoyo para la evaluación, la planificación y la gestión de las aguas subterráneas y de las fuentes de energía térmica renovable. La productividad de un acuífero es a menudo mapeada utilizando técnicas de interpolación geoestadística, tal como kriging, pero estas técnicas tienden a ser inadecuados para el mapeo a escala nacional debido a las altas demandas de datos (y tiempo). Se detalla una metodología para el mapeo de la productividad de acuíferos a escala nacional utilizando los conjuntos de datos existentes. Los datos de ensayos de bombeo se utilizan para caracterizar los posibles rendimientos de los pozos que pueden proporcionar las diferentes formaciones geológicas de diversas litologías y edades. Sobre la base de este análisis y utilizando el conocimiento de expertos, los códigos correspondientes en el mapa geológico se asignan a clases de productividad potencial. La extensión de las unidades acuíferas en el subsuelo (cubierto) se mapea a partir de datos geofísicos, y conjuntamente con el mapa geológico correspondiente, proporcionan el mapa productividad del acuífero en la roca de base. Los costos de perforación y bombeo pueden ser una consideración importante al momento de evaluar la viabilidad de desarrollar una fuente de agua subterránea. Por lo tanto, un mapa de la profundidad aproximada a la fuente se desarrolla conjuntamente con el mapa productividad del acuífero. Los mapas son validados utilizando conjuntos de datos independientes, y el mapa de rendimiento se compara contra el rendimiento de los mapas obtenidos con una atribución aleatoria y uniforme. Los resultados muestran que los mapas pueden predecir con éxito la productividad potencial y la profundidad aproximada a la fuente de agua, aunque la utilidad del mapa de profundidad de la fuente podría mejorarse mediante un aumento de la discretización vertical en la que se mapean intervalos de profundidad.摘要本文描述了英格兰和威尔士含水层产水率和源深图的开发和验证。含水层产水率图可为地下水和可更新的热能资源评价、规划和管理提供宝贵的支持。通常采用地理统计内插技术,如克里格法对含水层产水率填图,但是,这些技术不适用于国家尺度填图,因为对数据(和时间)有很高的要求。利用现有的国家尺度数据集简述了国家尺度含水层产水率填图。利用抽水实验数据描述了各种岩性和不同年龄、不同地层的潜在钻孔产水量。基于这样的分析和采用专门知识,地质图上相应的图编码指定为潜在的产水率级别。含水层单元地表以下(隐匿的)部分通过地球物理数据填图,这部分加上归属的地质图提供了基岩含水层产水率图。在评估开发地下水资源的可能性中,钻探和抽水成本可能是重要的考虑因素。因此,在含水层产水率图旁,还绘制了大致源深度图。采用独立的数据集验证了图,图性能也与根据随机和统一属性导出的图的性能进行了对比。结果显示,图成功地预测了潜在的产水率和大致到水源的深度,尽管通过在绘出深度间隔的地方增加垂直离散化,源深图实用性还可以改进。ResumoO desenvolvimento e validação da produtividade do aquífero e mapas de profundidade do recurso para a Inglaterra e País de Gales são descritos. Mapas de produtividade do aquífero podem prover um auxilio valioso para avaliação, planejamento e gerenciamento das águas subterrâneas e dos recursos de energias térmicas renováveis. A produção do Aquífero é frequentemente mapeada utilizando técnicas de interpolação geoestatística, como a krigagem, porém essas técnicas tendem a ser inadequadas para o mapeamento em escala nacional pela demanda de dados (e tempo). Uma metodologia é esboçada para o mapeamento da produtividade do aquífero em escala nacional utilizando conjuntos de dados em escala nacional já existentes. Dados de teste de bombeamento foram utilizados para caracterizar as produções potenciais dos poços amostradas em diferentes formações geológicas com várias litologias e idades. Baseado nessa análise e utilizando conhecimento acadêmico, os códigos de mapa correspondentes ao mapa geológico são atribuídos às classes de produtividade potencial. A extensão subsuperficial (oculta) do aquífero foi mapeada através de dados geofísicos, e em conjunto com o mapa geológico atribuído culminou no mapa de produtividade do aquífero de rochas cristalinas. Os custos de bombeamento e perfuração