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Homogeneous parametrization of aquifer properties is conventionally adopted due to data limitations and computational constraints, where the determination of effective model parameters and consideration of heterogeneity remains a key challenge. In this study, numerical simulations were developed to investigate the effect of heterogeneity on groundwater heat transport processes (conduction, dispersion and advection), and elucidate the relationship between aquifer heterogeneity and thermal dispersivity (αL). A simple finite element model was developed to simulate the operation of a geothermal system within a closed heterogeneous aquifer using stochastic permeability realizations. Sensitivity analysis revealed how the αL value is affected by (1) the scale of heterogeneity (R), (2) the distance between the well pair (L), and (3) the Darcy flux (qin). The effective permeability of the medium was found to continuously decrease as R increases; however, cold water reaches the outflow side faster through the high-conducting channels; thus, the thermal breakthrough time decreases in heterogeneous media. Calibrated αL values allowed homogeneous models to accurately fit the breakthrough curves obtained from the heterogeneous simulations. Increase in both R and L corresponded to higher αL, but R remained the dominant parameter. Modification of the Péclet number revealed that the thermal conduction weakens, yet does not remove, the effect of heterogeneity or αL. It is concluded that well-calibrated αL values are necessary for accurate predictions of heat transport processes in groundwater flow systems. This study provides guidance on the estimation of the longitudinal αL value for use in numerical modelling of practical geothermal problems.

Elucidating the relationship between aquifer heterogeneity and thermal dispersivity using stochastic heat transport simulations = Explication de la relation entre l’hétérogénéité de l’aquifère et la dispersivité thermale par des simulations stochastiques de transport de chaleur = Dilucidación de la relación entre la heterogeneidad del acuífero y la dispersividad térmica mediante simulaciones estocásticas de transporte de calor = Elucidando a relação entre heterogeneidade do aquífero e dispersividade térmica usando simulações estocásticas de transporte de calor / B. Molnár, L. Lenkey, D. Pedretti, J. Mádl-Szőnyi, A. Galsa. - In: HYDROGEOLOGY JOURNAL. - ISSN 1431-2174. - (2025 Feb 17). [Epub ahead of print] [10.1007/s10040-025-02875-6]

Elucidating the relationship between aquifer heterogeneity and thermal dispersivity using stochastic heat transport simulations = Explication de la relation entre l’hétérogénéité de l’aquifère et la dispersivité thermale par des simulations stochastiques de transport de chaleur = Dilucidación de la relación entre la heterogeneidad del acuífero y la dispersividad térmica mediante simulaciones estocásticas de transporte de calor = Elucidando a relação entre heterogeneidade do aquífero e dispersividade térmica usando simulações estocásticas de transporte de calor

D. Pedretti;
2025

Abstract

Homogeneous parametrization of aquifer properties is conventionally adopted due to data limitations and computational constraints, where the determination of effective model parameters and consideration of heterogeneity remains a key challenge. In this study, numerical simulations were developed to investigate the effect of heterogeneity on groundwater heat transport processes (conduction, dispersion and advection), and elucidate the relationship between aquifer heterogeneity and thermal dispersivity (αL). A simple finite element model was developed to simulate the operation of a geothermal system within a closed heterogeneous aquifer using stochastic permeability realizations. Sensitivity analysis revealed how the αL value is affected by (1) the scale of heterogeneity (R), (2) the distance between the well pair (L), and (3) the Darcy flux (qin). The effective permeability of the medium was found to continuously decrease as R increases; however, cold water reaches the outflow side faster through the high-conducting channels; thus, the thermal breakthrough time decreases in heterogeneous media. Calibrated αL values allowed homogeneous models to accurately fit the breakthrough curves obtained from the heterogeneous simulations. Increase in both R and L corresponded to higher αL, but R remained the dominant parameter. Modification of the Péclet number revealed that the thermal conduction weakens, yet does not remove, the effect of heterogeneity or αL. It is concluded that well-calibrated αL values are necessary for accurate predictions of heat transport processes in groundwater flow systems. This study provides guidance on the estimation of the longitudinal αL value for use in numerical modelling of practical geothermal problems.
La paramétrisation homogène des propriétés aquifère est généralement adoptée en raison des limitations des données et des contraintes de calcul, pour lesquelles la détermination des paramètres effectifs du modèle et la prise en compte de l’hétérogénéité restent une difficulté majeure. Dans cette étude des simulations numériques ont été développées pour investiguer les effets de l’hétérogénéité sur les processus de transport de chaleur dans les eaux souterraines (conduction, dispersion, advection) et élucider la relation entre l’hétérogénéité de l’aquifère et la dispersivité thermique (αL). Un modèle simple en éléments finis a été mis en œuvre pour simuler l’opération d’un système géothermal au sein d’un aquifère hétérogène fermé en utilisant des réalisations stochastiques de perméabilité. L’analyse de sensibilité révèle comment la valeur αL est affectée par (1) l’échelle de l’hétérogénéité (R), (2) la distance entre les forages constituant le doublet (L) et (3) le flux de Darcy (qin). La perméabilité effective du milieu a montré une diminution continue avec l’augmentation de R. Cependant l’eau froide atteint plus rapidement le côté de la sortie en circulant dans des conduits de perméabilité élevée ce qui explique la diminution du temps de percée thermique dans un milieu hétérogène. Les valeurs calibrées αL permettent aux modèles hétérogènes de reproduire précisément les courbes de restitution obtenues avec les simulations hétérogènes. Une augmentation de R et L correspond à un αL plus élevé, mais R reste le paramètre le plus important. La modification du nombre de Péclet indique que la conduction thermique faiblit, bien qu’elle ne supprime pas l’effet de l’hétérogénéité ou αLEn conclusion, des valeurs bien calibrées de αL sont nécessaires pour des prédictions précises des processus de transport de chaleur dans les systèmes aquifères. Cette étude fournit une orientation pour l’estimation de la valeur αL longitudinal à utiliser pour la simulation numérique de problèmes géothermiques pratiques.
La parametrización homogénea de las propiedades de los acuíferos se adopta convencionalmente debido a las limitaciones de los datos y las restricciones computacionales, donde la determinación de los parámetros efectivos del modelo y la consideración de la heterogeneidad siguen siendo un desafío clave. En este estudio, se desarrollaron simulaciones numéricas para investigar el efecto de la heterogeneidad en los procesos de transporte de calor de las aguas subterráneas (conducción, dispersión y advección), y dilucidar la relación entre la heterogeneidad del acuífero y la dispersividad térmica (αL). Se desarrolló un sencillo modelo de elementos finitos para simular el funcionamiento de un sistema geotérmico dentro de un acuífero heterogéneo cerrado utilizando realizaciones estocásticas de la permeabilidad. El análisis de sensibilidad reveló cómo el valor de αL se ve afectado por (1) la escala de heterogeneidad (R), (2) la distancia entre el par de pozos (L), y (3) el flujo Darcy (qin). Se comprobó que la permeabilidad efectiva del medio disminuye continuamente a medida que aumenta R. Sin embargo, el agua fría alcanza más rápidamente el lado de salida a través de los canales de alta conductividad, por lo que el tiempo de rotura térmica disminuye en los medios heterogéneos. Los valores αL calibrados permitieron que los modelos homogéneos se ajustaran con precisión a las curvas de penetración obtenidas a partir de las simulaciones heterogéneas. El aumento tanto de R como de L se correspondió con una mayor αL, pero R siguió siendo el parámetro dominante. La modificación del número de Péclet reveló que la conducción térmica debilita, aunque no elimina, el efecto de la heterogeneidad o de αL. Se concluye que son necesarios valores de αL bien calibrados para realizar predicciones precisas de los procesos de transporte de calor en los sistemas de flujo de aguas subterráneas. Este estudio proporciona orientación sobre la estimación del valor longitudinal de αL para su uso en la modelización numérica de problemas geotérmicos prácticos.
A parametrização homogênea das propriedades do aquífero é convencionalmente adotada devido à limitações de dados e restrições computacionais, onde a determinação de parâmetros efetivos do modelo e a consideração da heterogeneidade continuam sendo um desafio fundamental. Neste estudo, simulações numéricas foram desenvolvidas para investigar o efeito da heterogeneidade nos processos de transporte de calor das águas subterrâneas (condução, dispersão e advecção) e elucidar a relação entre heterogeneidade do aquífero e dispersividade térmica (αL). Um modelo simples de elemento finito foi desenvolvido para simular a operação de um sistema geotérmico dentro de um aquífero heterogêneo fechado usando realizações de permeabilidade estocástica. A análise de sensibilidade revelou como o valor αL é afetado por (1) a escala de heterogeneidade (R), (2) a distância entre o par de poços (L) e (3) o fluxo de Darcy (qin). A permeabilidade efetiva do meio diminuiu continuamente à medida que R aumenta. No entanto, a água fria atinge mais rápido o lado de saída através dos canais de alta condução, então o tempo de ruptura térmica diminui em meios heterogêneos. Valores de αL calibrados permitiram que modelos homogêneos se ajustassem com precisão às curvas de ruptura obtidas das simulações heterogêneas. O aumento em R e L correspondeu a αL mais alto, mas R permaneceu como o parâmetro dominante. A modificação do número de Péclet revelou que a condução térmica enfraquece, mas não remove, o efeito da heterogeneidade ou αL. Conclui-se que valores de αL bem calibrados são necessários para previsões precisas de processos de transporte de calor em sistemas de fluxo de águas subterrâneas. Este estudo fornece orientação sobre a estimativa do valor de αL longitudinal para uso em modelagem numérica de problemas geotérmicos práticos.
heterogeneity; thermal dispersivity; stochastic permeability; breakthrough time; numerical modelling
Settore GEOS-03/B - Geologia applicata
17-feb-2025
17-feb-2025
HYDROGEOLOGY JOURNAL
Article (author)
01 - Articolo su periodico
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Molnár et al. - 2025 - Elucidating the relationship between aquifer heterogeneity and thermal dispersivity using stochastic.pdf

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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/2434/1147758
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