Mechanism and stochastic dynamics of transport in Darcy-scale heterogeneous porous media

Abstract

Solute transport in heterogeneous porous media in general exhibits anomalous behaviors, in the sense that it is characterized by features that cannot be explained in terms of traditional models based on the advection-dispersion equation with constant effective coefficients. Signatures of anomalous transport are the non-linear temporal growth of the variance of solute concentration, non- Gaussian density profiles and heavy-tailed breakthrough curves. Understanding and predicting transport behavior in groundwater systems is crucial for several environmental and industrial applications, including groundwater management and risk assessment for nuclear waste repositories. The complexity of this task lies in the intrinsic multi-scale heterogeneity of geological formations and in the large amount of degrees of freedom. Hence, the predictive description of transport requires a process of upscaling that is based on measurable medium and flow attributes. The time domain random walk (TDRW) and continuous time random walk (CTRW) approaches provide suitable frameworks for transport upscaling.

In this thesis, we identify different mechanisms that induce anomalous transport and we quantify their impact on transport attributes. We propose average transport models that can be parameterized in terms of flow and medium properties. Among the mechanisms that induce non-Fickian behaviors, a pivotal role is played by the heterogeneity of the flow field, which is directly linked to medium disorder. Due to its importance, the impact of advective heterogeneity is studied throughout the thesis, alongside with other mechanisms.

First, we consider solute trapping due to physical or chemical heterogeneity, which we parameterize in terms of a constant trapping rate and a distribution of return times. We observe three distinct transport regimes that are linked to characteristic trapping time scales. At early times, transport is advection- controlled until particles start to get trapped. Then, the increasing distance between mobile and immobile particles gives rise to a superdiffusive regime which finally evolves towards a trapping-controlled regime.

Second, we study transport in correlated porous media. We show that particle motion describes a coupled CTRW that is parameterized in terms of the distribution of flow velocity and length scales. We show that disorder and correlation may lead to similar behaviors in terms of displacement moments, but the difference between these mechanisms is manifest in the distributions of particle positions and arrival times.

Next, we study the relationship between flow and transport properties and the impact of different injection conditions on transport. To this end, the relationship between Eulerian and Lagrangian velocities is investigated. Lagrangian statistics evolves to a steady-state that depends on the injection conditions. We study the velocity organization in Darcy flows and we develop a CTRW model for transport that is parameterized in terms of flow and medium attributes only. This CTRW accounts for non-stationarity through Markovian velocity models. We study the impact of advective heterogeneity by considering different disorder scenarios.

Finally, we quantify the impact of diffusion in layered and fibrous heterogeneous media by considering two disorder scenarios characterized by quenched random velocities and quenched retardation properties, respectively. These mechanisms lead to different, dimension-dependent disorder samplings that give rise to dual transport processes in space and time. Specifically, transport describes correlated Lévy flights in the random velocity model and correlated CTRWs in the random retardation model.

El transporte de solutos en medios heterogéneos porosos exhibe comportamientos anómalos, que se caracteriza por rasgos que no pueden ser explicados en términos de modelos tradicionales basados en la ecuación de advección-dispersión con coeficientes efectivos constantes. Las características del transporte anómalo son el crecimiento temporal no lineal de la varianza de la concentración de soluto, los perfiles de densidad no gausianos y la curvas de llegada con colas pronunciadas. Entender y predecir el comportamiento del transporte en hidrología subterránea es crucial para aplicaciones ambientales e industriales, como la gestión de aguas subterráneas o la evaluación de riesgos en repositorios de residuos nucleares. La complejidad de estas tareas se debe a la heterogeneidad intrínseca en múltiples escalas de las formaciones geológicas y del gran número de grados de libertad. Por lo tanto, una descripción predictiva del transporte requiere un proceso de upscaling basado en propiedades medibles del medio y el flujo para el que los modelos time domain random walk (TDRW) y continuous time random walk (CTRW) proporcionan un marco adecuado. En esta tesis, se identifican los mecanismos que inducen transporte anómalo y se cuantifica su impacto en el transporte. Se proponen modelos de transporte parametrizados en términos de las propiedades del medio y el flujo. Entre los mecanismos que inducen comportamientos no fickianos, la heterogeneidad del flujo, relacionada con el desorden del medio, desempeña un papel fundamental. Por lo tanto, su impacto se estudia junto con los de otros mecanismos a lo largo de toda la tesis. Primero, se considera el atrapamiento de soluto debido a heterogeneidades físicas o químicas parametrizadas en términos de un ratio de atrapamiento constante y una distribución de tiempos de retorno. Se observan tres regímenes de transporte relacionados con las escalas temporales características del atrapamiento. A tiempos pequeños, el transporte está controlado por la advección hasta que las partículas comienzan a ser atrapadas. A continuación el incremento de la distancia entre partículas móviles e inmóviles origina un régimen superdifusivo que finalmente evoluciona hacia un régimen controlado por el atrapamiento. Después, se estudia el transporte en medios correlacionados en los que el movimiento de las partículas es descrito por un CTRW acoplado parametrizado según la distribución de velocidades del flujo y de las escalas espaciales. El desorden y la correlación generan comportamientos similares en los momentos del desplazamiento de las partículas, pero diferentes en las distribución de posiciones y de tiempos de llegada. A continuación, se estudia la relación entre flujo y transporte bajo diferentes condiciones de inyección, a través de las velocidades eulerianas y lagrangianas. La estadística lagrangiana evoluciona hacia un estado estacionario que depende de los modos de inyección. Se estudia la organización de las velocidades en flujos de Darcy y se desarrolla un CTRW para el transporte que se parametriza solo en términos de las propiedades del medio y del flujo. Este CTRW considera la no estacionariedad a través de modelos de velocidad markovianos. El impacto de la heterogeneidad advectiva se estudia considerando diferentes escenarios de desorden. Finalmente, se cuantifica el impacto de la difusión en medios heterogéneos estratificados considerando dos escenarios de heterogeneidad que se caracterizan respectivamente por velocidades y propiedades de retraso aleatorias. Estos mecanismos originan diferentes muestreos del desorden que generan procesos de transportes duales en tiempo y espacio. El transporte describe un Lévy flight correlacionado en el modelo de velocidades aleatorias y un CTRW correlacionado en el modelo de retraso.