Characterization of groundwater dynamics in response to forcing terms under uncertainty

We present a numerical study keyed to the analysis of the impact on hydraulic head statistics of two selected methodologies for the stochastic simulation of hydrofacies spatial arrangement. We analyze the distribution of hydraulic heads in a confined aquifer under steady state convergent three-dimensional flow to a fully penetrating well, superimposed to a mean uniform regional gradient. The heterogeneous structure of the system is modelled on the basis of available field information comprising detailed lithological data collected within an aquifer system located in northern Italy. These data are grouped into five lithotype categories and the aquifer system is modelled as a random composite medium. Monte Carlo realizations of the three-dimensional geomaterial distributions are generated through the Sequential Indicator Simulation (SISIM) and the Truncated Plurigaussian Simulation (TPS) methods. The latter enables one to integrate geological conceptual information in the simulation procedure, while the former relies mainly on a variogram-based analysis. Point and vertically averaged hydraulic heads, corresponding to typical observations collected within screened boreholes, are analyzed by evaluating the dependence of their sample probability distributions on (i) the hydrofacies generation scheme (ii) the extent of the vertical averaging interval and (iii) the relative distance between the location of observation boreholes, hydrological boundaries and the source term. Theoretical probability density function models are fitted against numerically simulated distributions within a Maximum Likelihood (ML) context. Our results indicate that hydraulic heads associated with the Truncated Plurigaussian Simulation method exhibit increased variability when compared to their counterparts evaluated upon relying on a Sequential Indicator based modeling strategy of the system heterogeneity. Covariance matrices and probability distributions of point and vertically averaged hydraulic heads display similar key representative features and patterns. This suggests that typical measurements collected in screened boreholes can be used to infer qualitative information about the correlation structure and the statistical properties of heads.

Vi presentiamo uno studio numerico basato su l'analisi dell'impatto di due metodologie di simulazione stocastica di disposizione spaziale d’idrofacies sulle statistiche della testa idraulica. Analizziamo la distribuzione delle teste idrauliche in un acquifero confinato sotto flusso stazionario convergente tridimensionale a un pozzo pienamente penetrante, sovrapposte a un gradiente medio regionale uniforme. La struttura eterogenea del sistema è modellata sulla base delle informazioni di campo disponibili che comprende dati litologici dettagliati raccolti all'interno di un sistema acquifero situato nel nord d’Italia. Questi dati sono raggruppati in cinque categorie di litotipi e il sistema acquifero è modellato come un mezzo composito casuale. Realizzazioni tridimensionali di Monte Carlo sulle distribuzioni di geomateriali sono generate mediante “Sequential indicator Simulations and the Truncated Plurigaussian method”. Quest'ultimo metodo permette d’integrare l’informazione concettuale geologica nella procedura di simulazione, mentre il primo si basa principalmente sull'analisi dei variogrammi. Teste idrauliche puntuali e calcolate sulla media nella verticale, corrispondenti a tipici rilevamenti riscossi entro pozzi schermati, vengono analizzati per valutare la dipendenza rispetto le sue distribuzioni di probabilità campionate rispetto (i) il sistema di generazione d’idrofacies (ii) l’estensione dell'intervallo di media verticale e (iii) la distanza relativa tra la posizione dei pozzi di osservazione, i confini idrologici e il termino sorgente. Modelli di funzioni di densità di probabilità teoriche sono adatte contro distribuzioni simulate numericamente in un contesto di Massima Verosimiglianza. I nostri risultati indicano che le teste idrauliche associate al metodo “Truncated Plurigaussian Simulation” mostrano una maggiore variabilità rispetto alle loro controparti valutate sulla strategia di modellazione della eterogeneità del sistema basata nell’ “Sequential Indicator Simulation”. Le matrici di covarianza e le distribuzioni di probabilità delle teste idrauliche, di misure puntuali e sulla media nella verticale, mostrano caratteristiche rappresentative chiave e simili. Questo fatto suggerisce che misure tipiche raccolte in pozzi schermati, possono essere usate per dedurre informazione qualitativa sulla struttura di correlazione e proprietà statistiche delle teste idrauliche.