Approccio stocastico multiscala al trasporto di contaminanti in terreni eterogenei porosi

Predictive models for migration of contaminants in heterogeneous porous media are very useful for evaluating the feasibility of deposits and storage sites of radioactive and toxic waste. Natural rocks and sediments are characterized by a high spatial variability of their physical properties, so that the description of flow and transport processes is a difficult issue. To overcome this problem average parameters are often used in professional practice. In this thesis, a geostatistical approach, based on SISIM (Sequential Indicator Simulation), is used to reproduce in a more detailed way the heterogeneities of three sedimentary blocks, on the basis of the hydrofacies spatial distribution on the lateral surfaces. In previous works, blocks of few cubic meters were dug in the Ticino Valley and analyzed from the geological point of view with a resolution of 2 cm; they represent the three different types of depositional environments considered. A hierarchical approach is applied by simulating the spatial distribution of the hydrofacies in the blocks through a sequence of applications of SISIM to binary models. Two different simulation procedures are applied for each block: the first one is based on the relative abundance of the hydrofacies in the experimental data; the second one is based on geological studies. Moreover, the application of either simple or ordinary kriging is tested. 100 equiprobable reconstructions are obtained for every simulation procedures and kriging methods for each of the three blocks. Numerical experiments of groundwater flow and contaminant transport are performed in each reconstructed block. Equivalent hydraulic conductivities are estimated. Frequency distributions of the average fluid pore velocity and of the longitudinal dispersion coefficient are computed by fitting numerical breakthrough curves with the analytical advection-dispersion solutions. Finally, these results are used as input data for the application of a stochastic model based on Kolmogorov-Dmitriev theory in a Montecarlo framework, to upscale the effect that heterogeneities at scale lengths of 1 m have on the migration of radioactive contaminants at scale lengths up to 80 m.

Lo sviluppo di modelli previsionali per la migrazione di contaminanti in mezzi porosi eterogenei è essenziale per studiare la fattibilità di depositi e siti di stoccaggio per rifiuti radioattivi e/o tossici. L'alto grado di eterogeneità di rocce e sedimenti naturali determina un'importante variabilità spaziale delle loro proprietà fisiche, rendendo complesso descrivere i fenomeni di flusso e trasporto. In genere per ovviare a questa difficoltà si ricorre all'uso di parametri concentrati. In questo lavoro di tesi, viene utilizzato un approccio geostatistico, basato su SISIM (Sequential Indicator Simulation), per riprodurre in modo dettagliato le eterogeneità di tre blocchi di sedimenti, sulla base della distribuzione spaziale delle idrofacies di alcune facce laterali note. In lavori precedenti, i tre blocchi di alcuni metri cubi sono stati scavati nella valle del Ticino e analizzati da un punto di vista geologico con una risolutione di 2 cm: essi rappresentano tre diverse strutture deposizionali. Si è adottato un approccio gerarchico simulando la distribuzione spaziale delle idrofacies nei blocchi attraverso una sequenza di applicazioni di SISIM a modelli binari. Sono state utilizzate due differenti procedure simulative: la prima si basa sull'abbondanza relativa delle idrofacies nei dati, la seconda si basa su studi geologici. Inoltre si è studiato il differente uso del kriging semplice e ordinario. Si sono così ottenute 100 ricostruzioni equiprobabili per processo simulativo e tipo di kriging, per ognuno dei tre blocchi. In seguito si sono condotti esperimenti numerici di flusso idrico e trasporto di contaminante per ogni ricorstruzione. Si sono stimati i valori delle conducibilità equivalenti e si sono ottenute le distribuzioni della velocità media del fluido nei pori e del coefficiente di dispersione longitudinale, confrontando le curve numeriche di breakthrough con le soluzioni dell'equazione di advezione-dispersione. Infine questi risultati sono stati utilizzati in un metodo Montecarlo che implementa la teoria di Kolmogorov-Dmitriev, per indagare l'effetto che le eterogeneità alla scala di 1 m hanno sulla migrazione di contaminanti radioattivi alla scala degli 80 m.