The influence of layer and voxel geological modelling strategy on groundwater modelling results

• Published in: Hydrogeology journal Vol. 30; no. 2; pp. 617 - 635
• Main Authors: Enemark, Trine, Andersen, Lærke T., Høyer, Anne-Sophie, Jensen, Karsten H., Kidmose, Jacob, Sandersen, Peter B. E., Sonnenborg, Torben O.
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: 01.03.2022
• ISSN: 1431-2174; 1435-0157
• DOI: 10.1007/s10040-021-02442-9

Abstract Reliable groundwater model predictions are dependent on representative models of the geological environment, which can be modelled using several different techniques. In order to inform the choice of the geological modelling technique, the differences between a layer modelling approach and a voxel modelling approach were analyzed. The layer model consists of stratigraphically ordered surfaces, while the voxel model consists of a structured mesh of volumetric pixels. Groundwater models based on the two models were developed to investigate their impact on groundwater model predictions. The study was conducted in the relatively data-dense area Egebjerg, Denmark, where both a layer model and a voxel model have been developed based on the same data and geological conceptualization. The characteristics of the two methodologies for developing the geological models were shown to have a direct impact on the resulting models. The differences between the layer and the voxel models were, however, shown to be diverse and not related to larger conceptual elements, with few exceptions. The analysis showed that the geological modelling approaches had an influence on preferred parameter values and thereby groundwater model predictions of hydraulic head, groundwater budget terms and particle tracking results. A significance test taking into account the predictive distributions showed, that for many predictions, the differences between the models were significant. The results suggest that the geological modelling strategy has an influence on groundwater model predictions even if based on the same geological conceptualization. Résumé Les prédictions fiables des modèles d’eau souterraine dépendent de modèles représentatifs de l’environnement géologique, qui peuvent être modélisés en utilisant plusieurs techniques différentes. Afin d’éclairer le choix de la technique de modélisation géologique, les différences entre une approche de modélisation en couches et une approche de modélisation en voxels ont été analysées. Le modèle en couches consiste en des surfaces ordonnées stratigraphiquement, tandis que le modèle voxel consiste en un maillage structuré de pixels volumétriques. Des modèles d’eau souterraine basés sur les deux modèles ont été développés pour étudier leur impact sur les prédictions des modèles d’eau souterraine. L’étude a été menée dans la zone relativement dense en données d’Egebjerg, au Danemark, où un modèle en couches et un modèle en voxels ont été développés sur la base des mêmes données et de la même conceptualisation géologique. Il a été démontré que les caractéristiques des deux méthodologies de développement des modèles géologiques ont un impact direct sur les modèles obtenus. Les différences entre le modèle en couches et le modèle à voxels sont toutefois diverses et ne sont pas liées à des éléments conceptuels plus importants, à quelques exceptions près. L’analyse a montré que les approches de modélisation géologique avaient une influence sur les valeurs des paramètres préférés et, par conséquent, sur les prédictions du modèle d’eau souterraine de la charge hydraulique, des termes du bilan des eaux souterraines et des résultats du suivi de particules. Un test de significativité prenant en compte les distributions prédictives a montré que pour de nombreuses prédictions, les différences entre les modèles étaient significatives. Les résultats suggèrent que la stratégie de modélisation géologique a une influence sur les prédictions du modèle d’eau souterraine même si elle est basée sur la même conceptualisation géologique. Resumen La posibilidad de realizar predicciones sólidas en modelos de aguas subterráneas, que pueden realizarse mediante diversas técnicas, depende de la existencia de modelos representativos del contexto geológico. Para fundamentar la elección de la técnica de modelado geológico, se analizaron las diferencias entre un enfoque de modelado por capas y un enfoque por voxel. El primero consiste en superficies ordenadas estratigráficamente, mientras que el por voxel se basa en una malla estructurada de píxeles volumétricos. Se desarrollaron modelos de aguas subterráneas basados en los dos modelos para investigar su impacto en las predicciones efectuadas. El estudio se llevó a cabo en la zona de Egebjerg (Dinamarca), con una densidad de datos relativamente alta, en la que se desarrollaron tanto un modelo de capas como uno de voxel a partir de los mismos datos y la misma conceptualización geológica. Se demostró que las características de las dos metodologías para desarrollar los modelos geológicos tienen un impacto directo en los resultados. Sin embargo, se demostró que las diferencias entre los modelos de capas y de vóxeles eran diversas y no estaban relacionadas con elementos conceptuales mayores, con pocas excepciones. El análisis demostró que los enfoques de modelado geológico influyeron en los valores de los parámetros seleccionados y, por lo tanto, en las predicciones sobre la carga hidráulica, los términos del balance de aguas subterráneas y los resultados del seguimiento de partículas. Una prueba de significación que tenía en cuenta las distribuciones de predicción mostró las diferencias significativas entre los modelos en muchos casos. Los resultados sugieren que la estrategia de modelado geológico influye en las predicciones de la simulación de aguas subterráneas, incluso si se basan en la misma conceptualización geológica. 摘要 可靠的地下水模型预测取决于地质条件的代表性模型, 这些模型可使用几种不同的技术进行建模。为了选择地质建模技术, 分析了层建模方法和体素建模方法之间的差异。层模型由地层层序面组成, 而体素模型由体积像素的结构化网格组成。开发了基于这两种建模方法的地下水模型, 以研究其对地下水模型预测结果的影响。该研究是在数据相对密集的丹麦 Egebjerg 地区应用, 该地区已根据相同的数据和地质概念开发了层模型和体素模型。两种用于开发地质模型的方法的特点被证明对生成的模型有直接影响。然而, 层和体素模型之间的差异被证明是多种多样的, 并且与更大的概化元素无关, 只有少数例外。分析表明地质建模方法对优选参数值有影响, 从而影响地下水模型对水头、地下水收支预算和粒子示踪结果的预测。考虑到预测分布的显著性检验表明, 对于许多预测, 模型之间的差异是显著的。结果表明, 即使基于相同的地质概念, 地质建模方法也会对地下水模型预测产生影响。 Resumo Predições de modelo de águas subterrâneas confiáveis são dependentes de modelos representativos do ambiente geológico, que podem ser modelados usando diversas técnicas diferentes. Para informar a escolha da técnica de modelagem geológica, as diferenças entre a abordagem de modelagem de camadas e a abordagem de modelagem de voxel foram analisadas. O modelo de camadas consiste em superfícies estratigraficamente ordenadas, enquanto o modelo de voxel consiste em uma malha estruturada de pixels volumétricos. Os modelos de águas subterrâneas baseados nos dois modelos foram desenvolvidos para investigar seus impactos sobre predições do modelo de águas subterrâneas. O estudo foi conduzido na área relativamente densa em dados de Egebjerg, Dinamarca, onde ambos modelos de camada e voxel têm sido desenvolvidos baseado nos mesmos dados e contextualização geológica. As características das duas metodologias de desenvolvimento de modelos geológicos mostram ter um impacto direto nos modelos resultantes. As diferenças entre os modelos de camada e de voxel, contudo, mostram-se diversas e não relacionadas a elementos conceituais maiores, com pequenas exceções. As análises mostraram que as abordagens de modelagem geológicas tiveram uma influência nos valores dos parâmetros preferidos e, assim, nas predições das cargas hidráulicas de modelos de água subterrânea, nas condições de balanço da água subterrânea e nos resultados de rastreamento de partículas. Um teste de significância levando em consideração as distribuições preditivas mostrou que para muitas predições as diferenças entre os modelos foram significativas. Os resultados sugerem que a estratégia de modelagem geológica tem um influência sobre as predições dos modelos de águas subterrâneas, mesmo que baseado na mesma contextualização geológica.