Hydrogeological study of double permeability systems

Water circulation in rocks is a very important element in the solution of quite typical problems arising in environmental, civil and mining engineering. In particular, the identification of the main flow direction is important to evaluate the groundwater flowing in the system and to reconstruct the hydrogeological conceptual model, describing the studied system. Generally, in rock masses, intact rock is considered as a continuous medium with almost no permeability and low porosity, whereas fracture and karst network is a non continuous medium where discontinuities determine the hydraulic behavior of the whole. This assumption is originated from the observation that non fractured rocks may present a quite high porosity (storage coefficient) with very low hydraulic conductivity (lack of flow); on the contrary, high hydraulic conductivity (and therefore flows) can be present within fractures, even with small storage volumes. Porosity models take into account, at the same time but still separating from one another, the water storage within intact rock (primary porosity) and the water flow along the discontinuity network (secondary porosity). A limitation of dual porosity models is represented by the fact that the advection in the rock matrix is completely neglected. Moreover, the delay in the hydraulic response of rock masses, well described by the dual porosity models as a consequence of the high storage coefficient of the rock matrix, is often influenced also by the presence of small but very frequent fractures in the rock matrix, especially in the nearby area of the master joints. Therefore, rock matrix achieves a not negligible permeability with the possibility of local flow and water exchanges with the master joints. In this case “double permeability models” can be more useful to better describe the phenomena. Actually, slow seepage through the rock matrix and fast flow through conduits and fractures often result in a high variation in spring response to precipitation events. The purpose of this work is to study and to reproduce the behavior of rock masses in presence of a permeable matrix, by using double permeability models. To obtain the above said, after an initial overview on the hydrogeological studies for the conceptual model definition in rock masses, an analysis of the state of the art on double porosity and double permeability models is proposed. Based on this knowledge, it was possible to define the analytic system describing a double permeability rock mass, and therefore to implement a specific code for 1D numerical resolution of the system. Afterwards, the capability of this tool to reproduce the physical phenomenon was verified by carrying out a sensitivity analysis in very simple case studies. Results were compared with the ones of the numerical commercial code MODFLOW-2005. This latter was implemented with a recently developed package, Conduit Flow Process (CFP) Mode 1, which allows the overlapping of two distinct continua, one for the matrix and one for the karst conduit network. Finally, a real case study was analyzed, relating to a site in Trentino Alto Adige (Northen-Italy), the Vigolana Massif, where a spring is supplied by a typical double permeability system, constituted by a karst conduit within a quite fractured and weathered dolomitic rock.

La circolazione idrica negli ammassi rocciosi è un elemento importante per la risoluzione di problemi di ingegneria ambientale e civile. L’eventuale presenza di fratture svolge un ruolo importante nella caratterizzazione idrogeologica un ammasso roccioso, determinando incrementi di conducibilità anche di diversi ordini di grandezza lungo la direzione principale delle fratture stesse. Per tal motivo si arriva a parlare di mezzi a doppia permeabilità Nel presente lavoro, si è cercato in primo luogo di implementare un modello numerico monodimensionale in Matlab 2009, a partire dal sistema di equazione alle differenze parziali di Gerke e van Genunchten, sulla base di casi fittizi teorici, assumendo la presenza di un condotto carsico orizzontale attraverso una matrice rocciosa. Seguendo l’approccio di Cornaton e Perrochet, è stato possibile condurre un’analisi di sensitività al variare dei parametri. Con il fine di valutare la sensibilità del modello al variare delle dimensioni della mesh si è implementato un secondo modello teorico, caratterizzato da un dominio prolungato e da un periodo di simulazione più lungo. In tal modo sono emerse alcune instabilità del modello, la cui soluzione è strettamente dipendente dalla mesh. A seguire, per entrambe i casi teorici sono stati implementati un modello continuo equivalente, in cui condotto e matrice entrano in gioco come zone a diversa permeabilità, ma facenti sempre parte di un unico continuo, ed un modello combinato, per il quale matrice e frattura sono mezzi separati e distinti, ma interagenti tra loro, considerandoli due continui sovrapposti. Infine è stato possibile trattare un caso di studio reale, implementando un modello tridimensionale continuo equivalente con Modflow 2005 e un modello tridimensionale combinato con il package Conduit Flow Process Mode 1, sulla base di misure effettuate in sito, immaginando un’unica frattura inclinata inglobata in un corpo di matrice permeabile. Il sito in questione è il Massiccio della Vigolana, in Trentino Alto Adige (Italia Settentrionale). Dai risultati ottenuti dal modello emerge che il sistema è significativamente sensibili a variazioni della porosità della matrice, il modello continuo equivalente restituisce una curva di con un errore percentuale del 5%. Il modello combinato invece è in grado di riprodurre le portate osservate con un errore percentuale inferiore al 1%. Tale risultato è dovuto al fatto che nel modello combinato, sono state considerate ed inserite le reali proprietà idrauliche e geometriche di matrice e condotto, e sono state risolte due differenti equazioni di flusso per i due diversi continui.