Sensitivity analysis of hydrological parameters in modeling flow and transport in the unsaturated zone of Yucca Mountain, Nevada, USA

The unsaturated fractured volcanic deposits at Yucca Mountain in Nevada, USA, have been intensively investigated as a possible repository site for storing highlevel radioactive waste. Field studies at the site have revealed that there exist large variabilities in hydrological parameters over the spatial domain of the mountain. Systematic analyses of hydrological parameters using a site-scale three-dimensional unsaturated zone (UZ) flow model have been undertaken. The main objective of the sensitivity analyses was to evaluate the effects of uncertainties in hydrologic parameters on modeled UZ flow and contaminant transport results. Sensitivity analyses were carried out relative to fracture and matrix permeability and capillary strength (van Genuchten α) through variation of these parameter values by one standard deviation from the base-case values. The parameter variation resulted in eight parameter sets. Modeling results for the eight UZ flow sensitivity cases have been compared with field observed data and simulation results from the base-case model. The effects of parameter uncertainties on the flow fields were evaluated through comparison of results for flow and transport. In general, this study shows that uncertainties in matrix parameters cause larger uncertainty in simulated moisture flux than corresponding uncertainties in fracture properties for unsaturated flow through heterogeneous fractured rock. Résumé Considérée comme un site potentiel pour le stockage de déchets hautement radioactifs, la zone non saturée et fracturée de la montagne Yucca dans le Nevada, USA, a fait l’objet de nombreuses études. Des investigations de terrain au niveau du site ont révélé l’existence d’une importante variabilité spatiale pour les paramètres hydrogéologiques. Des analyses systématiques de ces paramètres ont été effectuées en utilisant un modèle d’écoulement de la zone non saturée (ZNS), en 3-D et à l’échelle du site. Le principal objectif des analyses de sensibilité était d’évaluer les effets engendrés par des incertitudes au niveau des paramètres hydrogéologiques, sur les résultats de la modélisation d’écoulement et de transport de polluants dans la ZNS. Les analyses de sensibilité ont été réalisées en fonction des perméabilités de fracture et de matrice et de la force capillaire (van Genuchten α), à travers la variation des valeurs de ces paramètres et un écart type par rapport aux valeurs les plus probables. La démarche a conduit à huit séries de paramètres. Les résultats de la modélisation pour les huit cas d’écoulement dans la ZNS ont été comparés avec des données observées sur le terrain et les résultats de simulations obtenus avec le modèle aux conditions initiales. Les effets sur les champs d’écoulement des incertitudes sur les paramètres ont été évalués en comparant les résultats pour l’écoulement et le transport. En général, cette étude montre que pour un écoulement insaturé à travers un milieu hétérogène et fracturé, les incertitudes sur les paramètres de la matrice entraînent des erreurs plus importantes sur le flux d’humidité simulé que des incertitudes équivalentes sur les propriétés de fracture. Resumen Se ha investigado intensivamente la zona fracturada no saturada de Montaña Yuca en Nevada, Estados Unidos de América, como un sitio potencial para el almacenamiento de residuos radioactivos de alto nivel. Los estudios de campo del sitio han mostrado que existe una gran variabilidad en los parámetros hidrológicos en todo el ambiente espacial de la montaña. Se ha realizado análisis sistemático de parámetros hidrológicos usando un modelo 3-D, a escala del sitio, de flujo (UZ) de la zona no saturada. El principal objetivo del análisis de sensibilidad fue evaluar los efectos de las incertidumbres en los parámetros hidrológicos en el modelo UZ y los resultados del transporte de contaminantes. Los análisis de sensibilidad se llevaron a cabo en relación con la permeabilidad intersticial y de fracturas y la fortaleza de capilaridad (α de van Genuchten), haciendo variar los valores de esos parámetros mediante una desviación standard a partir de los valores básicos del caso. La variación de parámetros dio por resultado grupos de ocho parámetros. Los resultados del modelo para los ocho casos de sensibilidad de flujo UZ se han comparado con datos de campo y los resultados de la simulación del modelo de caso básico. Se evaluaron los efectos de las incertidumbres de los parámetros Received: 20 October 2005 /Accepted: 10 April 2006 Published online: 27 June 2006 © Springer-Verlag 2006 K. Zhang ()) :Y.-S. Wu : J. E. Houseworth Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA e-mail: [email protected] Hydrogeology Journal (2006) 14: 1599–1619 DOI 10.1007/s10040-006-0055-y en los campos de flujo mediante comparación de resultados para flujo y transporte. En general, este estudio muestra que los resultados de las incertidumbres en los parámetros de la matriz causan mayor incertidumbre en la simulación del flujo de humedad que las correspondientes incertidumbres en propiedades de fracturas para flujo no saturado a través de roca fracturada heterogénea.