Experimental sandbox tracer tests to characterize a two-facies aquifer via an ensemble smoother

Abstract

Estimating aquifer properties and their spatial variability is the most challenging part of groundwater flow and transport simulations. In this work, an ensemble Kalman-based method, the ensemble smoother with multiple data assimilation (ES-MDA), is applied to infer the characteristics of a binary field by means of tracer test data collected in an experimental sandbox. Two different approaches are compared: the first one aims at estimating the hydraulic conductivity over the whole field assuming that the rest of the hydraulic and transport parameters are known by applying the standard ES-MDA method; the second one couples the ES-MDA with a truncated Gaussian model to simultaneously estimate the spatial distribution of two geological lithotypes and their main hydraulic and transport properties. Both procedures are tested following a fully parameterized approach and a pilot point approach. A synthetic case that mimics the sandbox experiment was developed to test the capability of the proposed methods and find out their optimal configurations to be used for the real case. The results show that the ES-MDA coupled with a truncated Gaussian model outperforms the standard ES-MDA and it reproduces well the binary field and the aquifer properties also in the presence of large measurement errors. The fully parametrized and pilot point approaches lead to comparable solutions, with less computation time required by the pilot point approach.

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Résumé

L’estimation des propriétés d’un aquifère et de leurs variations dans l’espace est la partie la plus difficile des simulations relatives au flux et au transport dans les eaux souterraines. Dans le présent travail, une méthode basée sur l’ensemble de Kalman, le filtre d’ensemble avec assimilation de données multiples (ES-MDA), est appliqué pour déduire les caractéristiques d’un champ binaire au moyen des données d’un essai de traçage recueillies dans un bac à sable expérimental. Deux approches différentes sont comparées: la première vise une estimation de la conductivité hydraulique dans l'ensemble du champ, le reste des paramètres hydrauliques et de transfert étant supposé connu par l’application de la méthode standard ES-MDA; la seconde couple le ES-MDA avec un modèle Gaussien tronqué pour estimer dans le même temps la distribution spatiale des deux lithotypes géologiques et leurs principales propriétés d’écoulement et de transport. Les deux procédures sont testées en suivant une approche totalement paramétrée et une approche par point pilote. Un cas synthétique qui reproduit l’expérience du bac à sable a été développé pour tester la capacité des méthodes proposées et déterminer leurs configurations optimales à utiliser dans le cas réel. Les résultats montrent que le ES-MDA couplé avec un modèle Gaussien tronqué surpasse le standard ES-MDA et qu’il reproduit convenablement le champ binaire et les propriétés de l’aquifère, même en présence d’erreurs de mesure importantes. L’approche totalement paramétrés et des points pilote conduit à des solutions comparables, avec moins de temps de calcul requis par l’approche par le point pilote.

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Resumen

La estimación de las propiedades de los acuíferos y su variabilidad espacial es el reto más importante en las simulaciones de flujo y transporte de aguas subterráneas. En este trabajo, se usa un método basado en el filtro de Kalman de conjuntos, el suavizador de conjuntos con asimilación repetida de los datos (ES-MDA), para inferir las características de un campo binario a partir de datos de ensayos de trazadores tomados en un tanque de laboratorio. Se comparan dos enfoques diferentes: el primero pretende estimar la conductividad hidráulica en todo el campo asumiendo que el resto de los parámetros hidráulicos y de transporte son conocidos aplicando el método ES-MDA estándar; el segundo acopla el ES-MDA con un modelo gaussiano truncado para estimar simultáneamente la distribución espacial de dos litologías geológicas y sus principales propiedades hidráulicas y de transporte. Ambos procedimientos se prueban siguiendo un enfoque totalmente parametrizado y un enfoque de puntos piloto. Se desarrolló un caso sintético que imita el experimento del tanque de laboratorio para probar el rendimiento de los métodos propuestos y determinar sus configuraciones óptimas para su uso en el caso real. Los resultados muestran que el ES-MDA acoplado con un modelo gaussiano truncado supera al ES-MDA estándar y reproduce bien el campo binario y las propiedades del acuífero incluso en presencia de importantes errores de medida. El enfoque totalmente parametrizado y el de puntos piloto conducen a soluciones comparables, con menos tiempo de cálculo requerido por el enfoque de puntos piloto.

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摘要

估计含水层性质及其空间变异性是地下水流和运移模拟中最具挑战性的部分。本研究应用基于集合卡尔曼的方法, 即具有多重数据同化的集合平滑法 (ES-MDA), 通过在试验砂箱中采集示踪试验数据来推断双场的特征。比较了两种不同的方法: 第一种旨在通过应用标准ES-MDA方法, 假定其余的水力和运移参数已知, 估计整个场的水力传导率; 第二种则将ES-MDA与截断高斯模型耦合, 同时估计两种地质岩性的空间分布及其主要的水力和运移特性。两种程序都是通过完全参数化方法和试点方法进行测试的。开发了一个模仿砂箱试验的综合案例, 以测试所提出方法的性能并找到其用于真实案例的最佳配置。结果表明, ES-MDA与截断高斯模型耦合的方法优于标准ES-MDA, 即使存在大量测量误差, 也能很好地再现双场和含水层的特性。完全参数化和试点方法都可以得到可比较的解, 试点方法所需的计算时间更少。

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Resumo

Estimar as propriedades dos aquíferos e sua variabilidade espacial é a parte mais desafiadora das simulações de fluxo e transporte de águas subterrâneas. Neste trabalho, um método baseado em filtro de Kalman em conjunto, o suavizados em conjunto com múltipla assimilação de dados (ES-MDA), é aplicado para inferir as características de um campo binário por meio de dados de teste de traçadores coletados em uma caixa de areia experimental. Duas abordagens diferentes são comparadas: a primeira visa estimar a condutividade hidráulica em todo o campo assumindo que o restante dos parâmetros hidráulicos e de transporte são conhecidos pela aplicação do método padrão ES-MDA; o segundo acopla o ES-MDA com um modelo gaussiano truncado para estimar simultaneamente a distribuição espacial de dois litotipos geológicos e suas principais propriedades hidráulicas e de transporte. Ambos os procedimentos são testados seguindo uma abordagem totalmente parametrizada e uma abordagem de ponto piloto. Um caso sintético que mimetiza o experimento em caixa de areia foi desenvolvido para testar a capacidade dos métodos propostos e descobrir suas configurações ótimas para serem usadas no caso real. Os resultados mostram que o ES-MDA acoplado a um modelo gaussiano truncado supera o ES-MDA padrão e reproduz bem o campo binário e as propriedades do aquífero também na presença de grandes erros de medição. A abordagem dos pontos piloto e totalmente parametrizados leva a soluções comparáveis, com menos tempo de computação exigido pela abordagem do ponto piloto.