Information theory approach to groundwater flow characterization

In groundwater flow problems the complexity of the models and the importance of having reliable tools for their interpretation made uncertainty quantification an essential part of modelling itself. At the same time Upscaling and Downscaling techniques helped modellers bridging across different resolution scales to tackle scale inconsistency, while often increasing even more the uncertainty. Information Theory (IT) provides powerful tools to quantify information contained in a model, to investigate information loss during Upscaling and to analyze the behaviour of the spatial structure of a field at different resolution scales. While also other studies used these IT metrics in groundwater modelling, this work innovatively coupled them with Monte Carlo simulation method to analyze Upscaling quality and effects in randomly generated hydraulic conductivity fields. Nevertheless, the method presented here could be used with a broad range of Upscaling techniques to asses their effectiveness.

Nei problemi di flusso delle acque sotterranee la complessità dei modelli e l'importanza di avere strumenti affidabili per la loro interpretazione, ha reso la quantificazione dell'incertezza una parte essenziale della modellazione stessa. Allo stesso tempo, le tecniche di Upscaling e di Downscaling hanno aiutato gli studiosi a muoversi tra diverse scale di risoluzione e ad ovviare a problemi che rendevano i loro modelli inconsistenti, tuttavia incrementando spesso l'incertezza. La Teoria dell'Informazione, o Information Theory (IT), fornisce ottimi strumenti per quantificare l'informazione contenuta in un modello, monitorare l'informazione persa durante il processo di Upscaling ed analizzare l'evoluzione della struttura spaziale di un campo a diverse scale di risoluzione. Già altri studi hanno usato alcune di queste metriche nella modellazione di problemi relativi alle acque sotterranee, ma l'innovazione di questo lavoro risiede nell'unirle con il metodo Monte Carlo per analizzare la qualità e gli effetti dell'Upscaling su dei campi generati casualmente. I metodi presentati rimangono comunque validi per studiare una vasta gamma di problemi legati all'Upscaling.