Review: Hydraulic head measurements—new technologies, classic pitfalls

The hydraulic head is one of the most important metrics in hydrogeology as it underlies the interpretation of groundwater flow, the quantification of aquifer properties and the calibration of flow models. Heads are determined based on water-level measurements in wells and piezometers. Despite the importance of hydraulic head data, standard textbooks used in groundwater curricula provide relatively little discussion of the appropriate measurement procedures. This paper presents a review of the literature dealing with the determination of hydraulic heads, and aims to provide quantitative guidance on the likely sources of error and when these can be expected to become important. The most common measurement procedures are discussed and the main sources of error are identified, i.e. those related to (1) the measurement instruments, (2) the conversion from pressure to heads, (3) time lag effects, and (4) observation well defects. It is argued that heads should be determined following well-defined guidelines, and that it should become standard practice in hydrogeology to provide quantitative estimates of the measurement error.RésuméLe niveau piézométrique est l’un des plus importants paramètres de l’hydrogéologie car il est à la base de l’interprétation de l’écoulement souterrain, de la quantification des propriétés de l’aquifère et du paramétrage des modèles d’écoulement. La détermination des niveaux piézométriques est basée sur la mesure du niveau de l’eau dans les puits et dans les piézomètres. Malgré l’importance des données piézométriques, les ouvrages standards utilisés dans les programmes d’étude de nappe fournissent relativement peu de commentaires sur les procédures appropriées de mesure. Cet article présente une revue de la littérature traitant de la mesure des niveaux piézométriques et vise à fournir un guide quantitatif des sources d’erreur possibles et des cas où on peut s’attendre à ce qu’elles deviennent importantes. Les protocoles de mesures les plus communs sont discutés et les principales sources d’erreur sont identifiées, à savoir celles relatives (1) aux instruments de mesures, (2) à la conversion de pression en niveau piézométrique, (3) aux effets de l’inertie, et (4) aux défectuosités du puits d’observation. On en déduit que les niveaux piézométriques devraient être mesurés suivant un protocole bien défini et que fournir une estimation quantitative de l’erreur de mesure devrait devenir une pratique courante en hydrogéologie.ResumenLa carga hidráulica es una de las métricas más importantes en hidrogeología porque subyace a la interpretación del flujo de agua subterránea, la cuantificación de las propiedades del acuífero y la calibración de modelos de flujo. Las cargas están determinadas basadas en mediciones de nivel de agua en pozos y piezómetros. A pesar de la importancia de los datos de la carga hidráulica, los libros de texto estándar usados en la currícula de agua subterránea proveen una relativamente escasa discusión sobre los procedimientos apropiados de medición. Este trabajo presenta una revisión de la literatura que trata la determinación de las cargas hidráulicas, y pretende proveer una guía cuantitativa sobre las posibles fuentes de error y cuando estas pueden esperar que se conviertan en importantes. Se discuten los procedimientos de medición más comunes y se identifican las principales fuentes de error, es decir, aquellos relacionadas a (1) los instrumentos de medición, (2) la conversión de presión a cargas, (3) efectos del tiempo de retardo, y (4) los defectos de los pozos de observación. Se argumenta que las cargas deben ser medidas siguiendo guías bien definidas, y que debería convertirse en una práctica habitual en hidrogeología proveer estimaciones cuantitativas del error de las medidas.ResumoA carga hidráulica é uma das grandezas mais importantes em hidrogeologia, uma vez que está na base da interpretação do escoamento da água subterrânea, da quantificação das propriedades dos aquíferos e da calibração de modelos de fluxo. A carga é determinada a partir de medições dos níveis de água em poços e piezómetros. Apesar da importância dos dados de carga hidráulica, os livros didáticos correntes que são usados nos curricula sobre água subterrânea proporcionam relativamente pouca discussão sobre os procedimentos de medição adequados. Este artigo apresenta uma revisão da literatura que trata da determinação da carga hidráulica e tem como objetivo fornecer orientação quantitativa sobre prováveis origens de erros e sobre quando se pode esperar que estes se tornem importantes. São discutidos os procedimentos de medição mais comuns e identificam-se as principais origens de erro, i.e. as que se relacionam com (1) os instrumentos de medida, (2) a conversão de pressão em carga, (3) os efeitos de diferimento temporal e (4) os defeitos nos poços de observação. Argumenta-se que a carga deveria ser medida segundo normas bem definidas e que deveria ser tornada prática padrão em hidrogeologia fornecer estimativas quantitativas dos erros de medição.