Constraining performance assessment models with tracer test results: a comparison between two conceptual models

Abstract

Tracer tests are conducted to ascertain solute transport parameters of a single rock feature over a 5-m transport pathway. Two different conceptualizations of double-porosity solute transport provide estimates of the tracer breakthrough curves. One of the conceptualizations (single-rate) employs a single effective diffusion coefficient in a matrix with infinite penetration depth. However, the tracer retention between different flow paths can vary as the ratio of flow-wetted surface to flow rate differs between the path lines. The other conceptualization (multirate) employs a continuous distribution of multiple diffusion rate coefficients in a matrix with variable, yet finite, capacity. Application of these two models with the parameters estimated on the tracer test breakthrough curves produces transport results that differ by orders of magnitude in peak concentration and time to peak concentration at the performance assessment (PA) time and length scales (100,000 years and 1,000 m). These differences are examined by calculating the time limits for the diffusive capacity to act as an infinite medium. These limits are compared across both conceptual models and also against characteristic times for diffusion at both the tracer test and PA scales. Additionally, the differences between the models are examined by re-estimating parameters for the multirate model from the traditional double-porosity model results at the PA scale. Results indicate that for each model the amount of the diffusive capacity that acts as an infinite medium over the specified time scale explains the differences between the model results and that tracer tests alone cannot provide reliable estimates of transport parameters for the PA scale. Results of Monte Carlo runs of the transport models with varying travel times and path lengths show consistent results between models and suggest that the variation in flow-wetted surface to flow rate along path lines is insignificant relative to variability in the amount of diffusive capacity that can be accessed along the transport pathway.

Résumé

Contraindre le bilan des performances des modèles avec les résultats de traçages: une comparaison entre deux modèles conceptuels.

Des tests de traçage sont mis en oeuvre pour étudier les paramètres de transport de soluté d’une roche sur une longueur de 5 m. Deux différents modèles de transport de soluté dans un milieu à double porosité fournissent des estimation des courbes de restitution. L’une des conceptualisations (unique taux de restitution) emploie un seul coefficient effectif de diffusion dans une matrice possédant une pénétration infinie en profondeur. Par ailleurs, la rétention du traceur entre les différentes lignes d’écoulement peut varier comme le rapport des débits aux surfaces mouillées et comme le rapport de la différence de débits entres les lignes d’écoulement. L’autre conceptualisation (taux multiple) emploie une distribution continue de coefficients de diffusion dans une matrice à capacité variable et finit. L’application de ces deux modèles avec les pa! ramètres estimés grâce aux courbes de restitution produit des résultats de transport qui différent de plusieurs ordres de grandeur dans la magnitude du pic, le temps du pic de concentration, au bilan des performances (PA) et aux échelles de distance (100,000 ans et 1,000 m). Ces différences sont éxaminées par l’intermédiaire des temps limites pour que la capacité diffusive équivaille à un milieu infini. Ces limites sont comparées à travers les modèles conceptuels ainsi que les temps caractéristiques de diffusion à l’échelle du test de traçage et à l’échelle du PA. Par ailleurs, les différences entre les modèles sont éxaminées en réestimant les paramètres pour le modèle à taux multiple à partir des résultats du modèle à double porosité à l’échelle du PA. Les résultats indiquent que pour chaque modèle la valeur de la capacité diffusive dans un milieu infini sur une période de temps spécifiée explique les différences entre les modèles et le ! fait que le test de traçage seul ne permet pas de déterminer les paramètres de transport à l’échelle du PA. Les résultats des simulations Monte Carlo du modèle de transport avec des temps et des distances de transport variables montrent des résultats concordances entre les différents modèles et suggère que la variation que la variation entre surface mouillée et le rapport de la différence de débits entre les lignes d’écoulement est insignifiante, en regard de la variabilité du montant de la capacité diffusive qui peut être accessible le long de la ligne de transport.

Resumen

Delimitando la eficacia de modelos de evaluación con resultados de pruebas de trazadores: una comparación entre dos modelos conceptuales.

Se llevaron a cabo pruebas de trazadores para evaluar los parámetros de transporte de solutos en un rasgo rocoso a lo largo de una trayectoria de transporte de 5 m. Dos diferentes conceptualizaciones del transporte de solutos de porosidad doble aportan estimados de las curvas de avance de trazadores. Una de las conceptualizaciones (ritmo único) utiliza un coeficiente de difusión efectiva único en una matriz con profundidad de penetración infinita. Sin embargo, la retención del trazador entre diferentes trayectorias de flujo puede variar debido a que la relación entre la superficie mojada de flujo y el ritmo de flujo difiere entre las líneas de trayectoria. La otra conceptualización (multi-ritmo) utiliza una distribución continua de coeficientes de ritmos de difusión múltiple en una matriz con capacidad variable pero finita. La aplicación de los dos modelos con los parámetros estimados en base a las curvas de avance de trazadores producen resultados de transporte que difieren en varios órdenes de magnitud, tanto en concentración pico como en el tiempo en que se alcanza la concentración pico, en las escalas de evaluación de eficacia (PA) de tiempo y longitud (100,000 años y 1,000 m). Estas diferencias se examinan mediante el cálculo de límites de tiempo en que se considera que la capacidad difusiva actúa como un medio infinito. Estos límites se comparan en ambos modelos conceptuales y contra los tiempos característicos para difusión en escalas de PA y de prueba de trazador. Adicionalmente, se examinan las diferencias entre los modelos calculando de nuevo los parámetros para el modelo multi-ritmo a partir del modelo tradicional de doble porosidad a escala PA. Los resultados indican que para cada modelo la cantidad de la capacidad difusiva que actúa como un medio infinito sobre la escala de tiempo especificada explica las diferencias entre los resultados del modelo y que las pruebas de trazadores por sí solas no aportan cálculos confiables de los parámetros de transporte para la escala PA. Los resultados provenientes de corridas Monte Carlo de los modelos de transporte con distintos tiempos de viaje y diferentes longitudes de trayectorias muestran resultados consistentes entre modelos y sugieren que la variación en la relación de superficie de flujo mojada a ritmo de flujo a lo largo de las líneas de trayectoria es insignificante en relación con la variabilidad en la cantidad de capacidad difusiva que puede alcanzarse a lo largo de la trayectoria de transporte.