Parameterization, sensitivity analysis, and inversion: an investigation using groundwater modeling of the surface-mined Tivoli-Guidonia basin (Metropolitan City of Rome, Italy)

Abstract

With respect to model parameterization and sensitivity analysis, this work uses a practical example to suggest that methods that start with simple models and use computationally frugal model analysis methods remain valuable in any toolbox of model development methods. In this work, groundwater model calibration starts with a simple parameterization that evolves into a moderately complex model. The model is developed for a water management study of the Tivoli-Guidonia basin (Rome, Italy) where surface mining has been conducted in conjunction with substantial dewatering. The approach to model development used in this work employs repeated analysis using sensitivity and inverse methods, including use of a new observation-stacked parameter importance graph. The methods are highly parallelizable and require few model runs, which make the repeated analyses and attendant insights possible. The success of a model development design can be measured by insights attained and demonstrated model accuracy relevant to predictions. Example insights were obtained: (1) A long-held belief that, except for a few distinct fractures, the travertine is homogeneous was found to be inadequate, and (2) The dewatering pumping rate is more critical to model accuracy than expected. The latter insight motivated additional data collection and improved pumpage estimates. Validation tests using three other recharge and pumpage conditions suggest good accuracy for the predictions considered. The model was used to evaluate management scenarios and showed that similar dewatering results could be achieved using 20 % less pumped water, but would require installing newly positioned wells and cooperation between mine owners.

Résumé

En ce qui concerne le paramétrage des modèles et l’analyse de sensibilité, ce travail utilise un exemple pratique pour suggérer que les méthodes qui débutent avec des modèles simples et utilisent des méthodes d’analyses de modèle économe en calcul restent précieuses dans toute boîte à outils de méthodes de développement de modèles. Dans ce travail, l’étalonnage du modèle d’écoulement d’eaux souterraines commence par un paramétrage simple qui évolue vers un modèle de complexité moyenne. Le modèle est développé pour une étude de gestion des ressources en eau du bassin de Tivoli-Guidonia (Rome, Italie) où l’exploitation du sous-sol a conduit à un dénoyage important. L’approche pour le développement du modèle utilisée dans ce travail emploie des analyses répétées à l’aide de méthodes inverses et de sensibilité, y compris l’utilisation d’un nouveau graphique de l’importance des paramètres d’observation cumulée. Les méthodes sont fortement parallélisables et nécessitent peu d’exécution des modèles, ce qui rend possible des analyses répétées et des aperçus spécifiques. Le succès d’une conception de l’élaboration d’un modèle peut être mesuré par des aperçus des résultats et de la pertinence de la précision du modèle par rapport aux prévisions. Exemples d’informations obtenues : (1) Une croyance de longue date que, à l’exception de quelques fractures distinctes, le travertin est homogène, a été jugée comme inadéquate, et (2) le débit de pompage de dénoyage est plus critique que la précision du modèle, par rapport à ce qui était attendu. Cette dernière information a motivé la collecte de données supplémentaires et l’amélioration des estimations des pompages. Les essais de validation utilisant trois autres conditions de recharge et de pompage suggèrent une bonne précision pour les prévisions considérées. Le modèle a été utilisé pour évaluer des scenarios de gestion et a montré que des résultats similaires de dénoyage pourraient être obtenus en utilisant 20 % de moins d’eau pompée, mais nécessiterait l’installation de nouveaux puits et la coopération entre les propriétaires exploitant les ressources minérales du sous-sol.

Resumen

Con respecto a la parametrización del modelo y análisis de sensibilidad, este trabajo utiliza un ejemplo práctico para sugerir que los métodos que comienzan con modelos simples y utilizan métodos de análisis de modelos computacionalmente frugales siguen siendo valiosos en cualquier caja de herramientas de métodos de desarrollo para modelación. En este trabajo, la calibración del modelo del agua subterránea se inicia con una parametrización simple que evoluciona en un modelo de moderada complejidad. El modelo se desarrolla para un estudio sobre la gestión del agua de la cuenca del Tivoli-Guidonia (Roma, Italia), donde la minería de superficie se ha llevado a cabo en conjunción con una eliminación sustancial de agua. El enfoque de desarrollo del modelo utilizado en este trabajo emplea el análisis de sensibilidad y métodos inversos, incluso el uso de un gráfico de importancia de un nuevo parámetro de observación acumulado. Los métodos son altamente paralelizables y requieren unas pocas corridas del modelo, lo que hace posibles análisis repetidos y las interpretaciones. El éxito del diseño del desarrollo del modelo puede ser medido por las observaciones obtenidas y la exactitud demostrada por el modelo en relación a las predicciones. Se obtuvieron observaciones por ejemplo: (1) En relación con una creencia largamente sostenida de que, a excepción de una pocas fracturas claras, el travertino es homogéneo, se encontró que puede ser inadecuada, y (2) el ritmo de bombeo de la extracción de agua es más crítico para la precisión del modelo que lo esperado. Esta última explicación motivó una recolección adicional de datos y mejorá las estimaciones de volumen bombeado. Las pruebas de validación utilizando otras tres condiciones de recarga y bombeo sugieren una buena exactitud para las predicciones consideradas. El modelo se utilizó para evaluar los escenarios de gestión y mostró que los resultados de la eliminación del agua podrían alcanzarse usando 20 % menos de agua bombeada, pero requeriría instalar nuevos sitios para pozos y la cooperación entre los propietarios de minas.

摘要

针对模型参数化和灵敏度分析,本项研究利用实例提出从简单模型入手、采用计算简便的模型分析方法在任何模型开发方法中依然有价值。在本研究中,地下水模型校正从简单的参数化入手,然后进展到中等复杂的模型中。(意大利罗马市)Tivoli-Guidonia盆地露天开采,伴随着大量的排水,为当地的水管理研究开发了模型。本研究中的模型开发方法依靠灵敏度和反演法包括采用了新观测数据构成的参数重要性曲线进行重复分析。方法高度平行,需要很少运行模型,就可以进行重复分析并伴随得到认识结果。模型开发设计的成功可以通过获得的认识结果及展示的与预测相关的模型精确度来衡量。实例获取的认识结果有:1)除了几个明显的特点,石灰华是均质的这一长期持有的观念是不充分的,2)排水抽水速度对模型精确度来说比预想的更重要。后者的认识促使收集额外的资料,提高抽水量估算值精度。采用三个其他补给和抽水条件进行的校正试验对预测具有很好的精确度。模型用于评估各种管理方案,模型还表明,采用少于20%的抽水量可以获取类似的排水结果,但这需要打新定位的井及矿主之间的合作。

Resumo

Com respeito a parametrização de modelo e análise de sensibilidade, esse trabalho usa um exemplo prático para sugerir que métodos que se iniciam com modelos simples e usam métodos de análise do modelo computacionalmente frugal continuam a ser valiosos em qualquer caixa de ferramentas de métodos de desenvolvimento do modelo. Neste trabalho, calibração do modelo de águas subterrâneas começa com uma parametrização simples que evolui para um modelo de complexidade moderada. O modelo é desenvolvido para um estudo de gestão dos recursos hídricos da bacia do Tivoli-Guidonia (Roma, Itália) onde a mineração de superfície tem sido conduzida em conjunto com uma drenagem substancial. A abordagem para desenvolvimento do modelo utilizada nesse trabalho aplica análises repetidas utilizando análise de sensibilidade e métodos de inversão, incluindo o uso de um novo gráfico de importância das observações empilhadas. Os métodos são altamente paralelizável e exigem algumas realizações de modelo, que fazem as análises repetidas e compreensão de atendimento possíveis. O sucesso de um esquema de desenvolvimento de modelo pode ser medido por percepções alcançadas e demonstrou a precisão do modelo referente às previsões. Foram obtidos entendimentos, como por exemplo: (1) A antiga crença de que, com exceção de algumas fraturas distintas, o travertino é homogêneo foi considerada inadequada, e (2) A taxa de bombeamento de rebaixamento do lençol é mais crítica para modelar precisão do que o esperado. Este último entendimento motivou a coleta de dados adicionais e melhores estimativas de bombeamento. Testes de validação com três outras condições de recarga e de bombeamento sugerem boa precisão para as previsões consideradas. O modelo foi utilizado para avaliar cenários de gestão e que mostrou que resultados similares de drenagem podem ser alcançados utilizando 20 % menos água bombeada, mas pode requerer a instalação de novos poços posicionados e cooperação entre os donos de minas.