Sensitivity of contaminant travel time to the combined effect of porosity and hydraulic conductivity

Abstract

An approach is developed to analyze sensitivity of advective contaminant travel time to porosity and hydraulic conductivity and their dependence. The approach is applicable in situations when groundwater specific discharge can be calculated from an available groundwater flow model that has already been developed. The groundwater specific discharge results allow estimate of advective contaminant travel time together with porosity values for all grid cells in the groundwater flow model. This is particularly useful when a full contaminant transport model is not available. In this study, a sensitivity index is developed based on the covariance between the advective contaminant travel time and grid cell porosity and its relationship with hydraulic conductivity. The spatially variable sensitivity index provides a quantitative measure of the combined effect of porosity and hydraulic conductivity on the sensitivity of advective contaminant travel time. The index can be used to identify the most influential region to reduce uncertainty of predicting advective contaminant travel time, which in turn helps to facilitate field characterization to reduce uncertainty and to aid the design of monitoring networks. Three theoretical examples are presented and discussed to illustrate the approach. However, the approach can be easily applied to more complex aquifer domains where advective contaminant travel time can be calculated based on simulated flow results from available groundwater flow models.

Résumé

Une approche est développée pour analyser la sensibilité du temps de transfert advectif d’un contaminant par rapport à la porosité et à la conductivité hydraulique et à leur interdépendance. L’approche est applicable aux situations où le débit spécifique des eaux souterraines peut être calculé à partir d’un modèle d’écoulement d’eau souterraine existant, développé antérieurement. Les résultats concernant le débit spécifique des eaux souterraines permettent une estimation du temps de transfert advectif du contaminant, conjointement aux valeurs de la porosité pour toutes les mailles du modèle d’écoulement souterrain. Ceci est particulièrement utile quand un modèle complet de transport de contaminant n’est pas disponible. Dans la présente étude, un indice de sensibilité est établi sur la base de la covariance entre le temps de transfert advectif d’un contaminant et la porosité à la maille de la grille et sa relation avec la conductivité hydraulique. L’indice d’une sensibilité spatialement variable fournit une mesure quantitative de l’effet combiné de la porosité et de la conductivité hydraulique sur la sensibilité du temps de transfert advectif d’un contaminant. L’indice peut être utilisé pour identifier la région la plus appropriée pour réduire l’incertitude sur la prédiction du temps de transfert advectif d’un contaminant, ce qui ensuite sert à faciliter une caractérisation de terrain visant à réduire l’incertitude et à aider à la conception du réseau de surveillance. Trois exemples théoriques sont présentés et discutés pour illustrer l’approche. Cependant, l’approche peut être facilement appliquée à des domaines aquifères plus complexes où le temps de transfert advectif d’un contaminant peut être calculé d’après les résultats de la simulation de l’écoulement souterrain par les modèles disponibles.

Resumen

Se desarrolló un enfoque para analizar la sensibilidad del tiempo de tránsito advectivo de contaminantes a la porosidad y a la conductividad hidráulica y su dependencia. El enfoque es aplicable en situaciones en las que la descarga específica del agua subterránea se puede calcular a partir de un modelo disponible de flujo de agua subterránea que ya se ha desarrollado. Los resultados de descarga específicos del agua subterránea permiten estimar el tiempo de tránsito advectivo de contaminantes junto con los valores de porosidad para todas las celdas de la grilla en el modelo de flujo de agua subterránea. Esto es particularmente útil cuando un modelo de transporte de contaminantes completo no está disponible. En este estudio, se desarrolla un índice de sensibilidad basado en la covarianza entre el tiempo de tránsito advectivo del contaminante y la porosidad de la celda de la grilla y su relación con la conductividad hidráulica. El índice de sensibilidad espacialmente variable proporciona una medida cuantitativa del efecto combinado de la porosidad y la conductividad hidráulica en la sensibilidad del tiempo de tránsito advectivo del contaminante. El índice puede usarse para identificar la región más influyente para reducir la incertidumbre de predecir el tiempo de tránsito advectivo de contaminantes, lo que a su vez ayuda a facilitar la caracterización del campo para reducir la incertidumbre y para ayudar al diseño de las redes de monitoreo. Se presentan y discuten tres ejemplos teóricos para ilustrar el enfoque. Sin embargo, el enfoque se puede aplicar fácilmente a dominios de acuíferos más complejos donde el tiempo de tránsito advectivo de contaminantes se puede calcular en base a los resultados del flujo simulado de los modelos disponibles de flujo de agua subterránea.

摘要

本文提出了分析污染物平流运移时间对孔隙度和水力传导率及其依赖程度敏感性的方法。该方法适用于地下水单位流量可以通过早已开发出的、可用的地下水流模型计算得出的情况之下。地下水单位流量结果可以估算地下水流模型中所有网格单元污染物平流运移时间以及孔隙度值。在缺乏完整污染物运移模型的情况下,该方法特别有用。在本研究中,根据污染物平流运移时间和网格单元孔隙度之间的协方差及其与水力传导率的关系,建立了灵敏度指数。空间上变化的灵敏度指数可定量测量孔隙度和水力传导率对污染物平流运移时间灵敏度的综合影响。指数可用来确定最有影响的地区,以减少预测污染物平流运移时间的不确定性,反过来,预测污染物平流运移时间有助于促进野外特征描述,减少不确定性,有助于监测网的规划。通过展示和论述三个理论上的案例,详细描述了该方法。不过,该方法可很容易地应用于更复杂的含水层领域,在这里根据现有的地下流模型得出的模拟水流结果可以计算出污染物平流运移时间。

Resumo

Uma abordagem foi desenvolvida para analisar a sensibilidade do deslocamento advectivo do contaminante à porosidade e à condutividade hidráulica e as suas dependências. A abordagem é aplicável em situações em que a descarga específica de águas subterrâneas pode ser calculada a partir de um modelo de fluxo de águas subterrâneas disponível que já tenha sido desenvolvido. Os resultados específicos de descarga das águas subterrâneas permitem estimar o deslocamento advectivo do contaminante juntamente com os valores de porosidade para todas as células da grade no modelo de fluxo de água subterrânea. Isso é particularmente útil quando um modelo completo de transporte de contaminantes não está disponível. Neste estudo, um índice de sensibilidade foi desenvolvido com base na covariância entre o deslocamento advectivo do contaminante e a porosidade da célula na grade e suas relações com a condutividade hidráulica. O índice de sensibilidade espacialmente variável fornece uma medida quantitativa do efeito combinado da porosidade e da condutividade hidráulica na sensibilidade do deslocamento advectivo do contaminante. O índice pode ser usado para identificar a região mais influente para reduzir a incerteza na predição do deslocamento advectivo do contaminante, o que, por sua vez, ajuda a facilitar a caracterização do campo para reduzir a incerteza e para auxiliar no projeto de redes de monitoramento. Três exemplos teóricos foram apresentados e discutidos para ilustrar a abordagem. No entanto, a abordagem pode ser facilmente aplicada em domínios de aquíferos mais complexos, onde o deslocamento advectivo do contaminante pode ser calculado com base nos resultados simulados de fluxo dos modelos de fluxo de água subterrânea disponíveis.