Flow of groundwater with variable density and viscosity, Atikokan Research Area, Canada

Abstract

 Flow of groundwater with variable density and viscosity was simulated at the Atikokan Research Area (ARA) in northwestern Ontario, Canada. An empirical viscosity–concentration equation was modified to include total-dissolved-solids (TDS) data from the ARA. The resulting equation was used successfully to estimate reasonably accurate viscosity values over the expected range of temperature and concentration, in comparison with experimental values derived for sodium chloride solutions. A three-dimensional finite-element code, MOTIF, developed by Atomic Energy of Canada Limited, was used in the simulations. The inclusion of the effects of depth-increasing temperature and TDS-dependent fluid-density distribution, while maintaining only a temperature-dependent viscosity relationship in a simulation, resulted in a more penetrative flow against expected buoyancy effects (i.e., the physics of the system was not honored). Accounting for concentration in the viscosity equation caused water to be less penetrative and more in accordance with the expected physics of the system. A conclusion is that fluid concentration should be considered simultaneously in calculating the density and viscosity of a fluid during modeling of variable-density flow in areas underlain by fluids with high TDS. Results of simulations suggest that both flow directions and magnitudes should be employed simultaneously during the calibration of a model. Large-scale groundwater movement in the ARA may be analyzed with carefully selected vertical no-flow boundaries. By incorporating the geothermal temperature gradient, groundwater recharge increases by 12%; thus, this gradient plays a significant role in groundwater flow at the ARA. Variability in the fluid concentration at the ARA neither decreases nor increases recharge into the groundwater system. The hypothesis that an isolated continuous regional flow system may exist at depth in the ARA is not supported by these simulations.

Résumé

Un écoulement souterrain à densité et à viscosité variables a été simulé sur le site expérimental d'Atikokan, dans le nord-ouest de l'Ontario (Canada). Une équation empirique liant la viscositéà la concentration a été modifiée pour prendre en compte les données de minéralisation de l'eau, en provenance de ce site. L'équation résultante a été appliquée avec succès à l'estimation avec une précision acceptable des valeurs de viscosité dans la gamme concernée de température et de concentration, par comparaison avec des valeurs expérimentales fournies par des solutions de chlorure de sodium. Un modèle 3D aux éléments finis, MOTIF, développé par Atomic Energy of Canada Limited, a servi à la modélisation. La prise en considération des effets de la distribution du fluide en fonction de sa densité du fait de l'augmentation de la température avec la profondeur et de sa minéralisation, tout en gardant uniquement une relation entre la viscosité et la température dans la simulation, a abouti à un écoulement plus pénétrant par rapport aux effets attendus de densité (c'est-à-dire que la physique du système n'est pas respectée). La prise en compte de la concentration dans l'équation de viscosité fait que l'eau pénètre moins, ce qui est plus en accord avec la physique prévue pour le système.

Il faut en conclure que la concentration du fluide doit intervenir à la fois dans le calcul de la densité et dans celui de la viscosité d'un fluide pour la modélisation d'un écoulement dûà des densités variables dans des zones situées sous des fluides à forte minéralisation. Les résultats des simulations laissent supposer que les directions d'écoulement et les ordres de grandeur doivent être utilisés en même temps lors de la calibration du modèle.

Les mouvements de l'eau souterraine à large échelle dans le site expérimental peuvent être analysés à partir de limites choisies convenablement sans écoulement vertical. En introduisant le gradient géothermique, la recharge de la nappe augmente de 12%; par conséquent ce gradient joue un rôle significatif dans l'écoulement souterrain du site. La variabilité de la concentration du fluide dans le site ni ne décroît, ni n'augmente la recharge de la nappe. L'hypothèse qu'un système aquifère régional continu et isolé existe en profondeur sur le site n'est pas confirmée par les simulations.

Resumen

Se simuló el flujo de agua subterránea con densidad y viscosidad variables en el Atikokan Research Area (ARA) al noroeste de Ontario, Canadá. Se modificó una ecuación empírica de relación entre concentración y viscosidad para incluir los datos de Total de Sólidos Disueltos (TSD) en el ARA. La ecuación resultante se usó para estimar con razonable precisión los valores de viscosidad en el rango esperado de temperaturas y concentraciones, comparándolos con los valores experimentales derivados de disoluciones de cloruro sódico. En las simulaciones se utilizó un programa de elementos finitos tridimensionales, MOTIF, desarrollado por la Atomic Energy of Canada Limited. El incluir en las simulaciones los efectos de temperatura creciente en profundidad y de densidad variable en función del TSD, mientras se mantiene una relación de viscosidad dependiente únicamente de la temperatura, da lugar a un flujo mucho más penetrante frente a los efectos de flotación esperados (es decir, contradiciendo la física del sistema). Al tener en cuenta la concentración en la ecuación de viscosidad se produce un flujo menos penetrante, mucho más de acuerdo con la física del propio sistema.

Como conclusión, la concentración del fluido se ha de tener en cuenta cuando se modele la densidad y viscosidad de un fluido con densidad variable en áreas con gran contenido de TSD. Las simulaciones sugieren que las direcciones y magnitudes del flujo se deben usar simultáneamente durante la calibración de un modelo de densidad variable.

El flujo de agua subterránea a gran escala en el ARA se puede analizar seleccionando cuidadosamente contornos verticales de flujo nulo. Al incorporar el gradiente geotérmico, la recarga se incrementa en un 12%; por tanto, este gradiente tiene un papel destacado en el flujo subterráneo en el ARA. La variabilidad en la concentración del fluido en esta misma zona no produce ninguna variación en la recarga al sistema. Las simulaciones contradicen la hipótesis de que exista un flujo regional correspondiente al de un sistema aislado en el ARA.