Hierarchical simulation of aquifer heterogeneity: implications of different simulation settings on solute-transport modeling = Simulazione gerarchica dell’eterogeneità degli acquiferi: implicazioni delle diverse configurazioni di simulazione sulla modellazione del trasporto di soluti = Simulation hiérarchique de l’hétérogénéité des aquifères: implications de différentes configurations de simulation sur la modélisation du transport de solutés = Simulación jerárquica de la heterogeneidad de un acuífero: implicancias de las diferentes configuraciones de simulación sobre el modelado de transporte de solutos

The fine-scale heterogeneity of porous media affects the large-scale transport of solutes and contaminants in groundwater and it can be reproduced by means of several geostatistical simulation tools. However, including the available geological information in these tools is often cumbersome. A hierarchical simulation procedure based on a binary tree is proposed and tested on two real-world blocks of alluvial sediments, of a few cubic meters volume, that represent small-scale aquifer analogs. The procedure is implemented using the sequential indicator simulation, but it is so general that it can be adapted to various geostatistical simulation tools, improving their capability to incorporate geological information, i.e., the sedimentological and architectural characterization of heterogeneity. When compared with a standard sequential indicator approach on bi-dimensional simulations, in terms of proportions and connectivity indicators, the proposed procedure yields reliable results, closer to the reference observations. Different ensembles of three-dimensional simulations based on different hierarchical sequences are used to perform numerical experiments of conservative solute transport and to obtain ensembles of equivalent pore velocity and dispersion coefficient at the scale length of the blocks (meter). Their statistics are used to estimate the impact of the variability of the transport properties of the simulated blocks on contaminant transport modeled on bigger domains (hectometer). This is investigated with a one-dimensional transport modeling based on the Kolmogorov-Dmitriev theory of branching stochastic processes. Applying the proposed approach with diverse binary trees and different simulation settings provides a great flexibility, which is revealed by the differences in the breakthrough curves.

L’eterogeneità dei mezzi porosi a scala fine influenza il trasporto a larga scala di soluti e contaminanti negli acquiferi, e può essere riprodotta tramite diversi metodi di simulazione geostatistica. Tuttavia, non è sempre semplice includere informazioni geologiche in questi metodi di simulazione. Si propone quindi una procedura di simulazione gerarchica basata sul concetto di albero binario, e la si verifica su due blocchi di sedimenti alluvionali aventi un volume di pochi metri cubi e che rappresentano analoghi di acquiferi a piccola scala. La procedura è implementata tramite la simulazione sequenziale con indicatori, ma il principio è generale e può essere adattato ad altri metodi di simulazione geostatistica, migliorandone la capacità di includere informazioni geologiche legate per esempio alla caratterizzazione sedimentologica e architetturale dell’eterogeneità. Confrontata con una procedura di simulazione sequenziale con indicatori standard in termini di proporzioni e di indicatori di connettività, la procedura proposta restituisce risultati affidabili e più vicini alle osservazioni di riferimento. Diversi ensemble di simulazioni tridimensionali, basate su diverse sequenze gerarchiche, sono utilizzati in simulazioni numeriche di trasporto conservativo e per ottenere ensemble di velocità di poro equivalente e di coefficiente di dispersione alla scala dei blocchi (metri). Le loro statistiche sono usate per stimare l’impatto della variabilità delle proprietà di trasporto dei blocchi simulati sul trasporto di inquinanti modellato su domini più grandi (ettometri). Queste stime sono effettuate tramite simulazioni monodimensionali di trasporto basate sulla teoria dei processi stocastici ramificati di Kolmogorov-Dmitriev. Applicare l’approccio proposto utilizzando alberi binari differenti e diverse configurazioni di simulazione risulta in una notevole flessibilità, messa in evidenza dalle differenze osservate nelle curve di restituzione.