Χρήση αναλυτικών λύσεων της εξίσωσης μεταφοράς για την προσομοίωση πειραμάτων με ιχνηθέτες σε φυσικούς υδροφορείς

Γιαμαλάκη, Μαρίνα; Giamalaki, Marina

dc.contributor.author	Γιαμαλάκη, Μαρίνα	el
dc.contributor.author	Giamalaki, Marina	en
dc.date.accessioned	2016-06-23T11:38:31Z
dc.date.available	2016-06-23T11:38:31Z
dc.date.issued	2016-06-23
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42820
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12248
dc.rights	Default License
dc.subject	Μεταφορά διαλυμένων ρύπων στο υπόγειο νερό	el
dc.subject	Πειράματα μεταφοράς με ιχνηθέτες	el
dc.subject	Αναλυτικές λύσεις της εξίσωσης μεταφοράς	el
dc.subject	Συντελεστές μηχανικής διασποράς	el
dc.subject	Ανομοιογένεια υδροφορέα	el
dc.subject	Solute transport in groundwater	en
dc.subject	Tracer tests	en
dc.subject	Analytical solutions of the solute transport equation	en
dc.subject	Dispersivities	en
dc.subject	Aquifer heterogeneity	en
dc.title	Χρήση αναλυτικών λύσεων της εξίσωσης μεταφοράς για την προσομοίωση πειραμάτων με ιχνηθέτες σε φυσικούς υδροφορείς	el
dc.title	Simulation of tracer tests in aquifers with analytical solutions of the solute transport equation	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Περιβαλλοντική υδρογεωλογία	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/aa971b3157040d6babf27990e3bcea8d7d67c6e0
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-03-16
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζεται η μεταφορά των διαλυμένων ρύπων στο υπόγειο νερό φυσικών υδροφορέων. Η ανάγκη πρόβλεψης της μεταφοράς των διαλυμένων ρύπων οδήγησε στην ανάπτυξη μοντέλων μεταφοράς, απλών ή περίπλοκων. Αυτά τα μοντέλα απαιτούν τον προσδιορισμό ενός μεγάλου αριθμού παραμέτρων που περιγράφουν τους φυσικούς και χημικούς μηχανισμούς της μεταφοράς. Εκτός από τον προσδιορισμό των παραμέτρων των μηχανισμών της μεταγωγής, διάχυσης και διασποράς, απαιτείται και ο προσδιορισμός παραμέτρων που περιγράφουν τις χημικές διεργασίες που καθορίζουν τη μεταφορά των διαλυμένων ρύπων στο υπόγειο νερό. Επίσης, εξαιτίας της δυσκολίας προσδιορισμού από τη μορφή της ρυπασμένης περιοχής της συνεισφοράς των παραπάνω διεργασιών στη μεταφορά των διαλυμένων ρύπων, τα προβλήματα μεταφοράς καθίστανται ανεπαρκώς ορισμένα. Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να αξιολογηθεί κατά πόσο η ρυπασμένη περιοχή μπορεί να προσομοιωθεί από ένα απλό μοντέλο μεταφοράς, όπως οι αναλυτικές λύσεις της διαφορικής εξίσωσης μεταφοράς. Για το σκοπό αυτό, αναζητήθηκαν στην επιστημονική βιβλιογραφία πειράματα μεταφοράς με ιχνηθέτες σε φυσικούς υδροφορείς, όπου τα υδρογεωλογικά χαρακτηριστικά των υδροφορέων και οι ποσότητες των ρύπων που εισήχθησαν στην κορεσμένη ζώνη ήταν επαρκώς προσδιορισμένα. Παράλληλα, αναζητήθηκαν αναλυτικές λύσεις της διαφορικής εξίσωσης τριδιάστατης μεταφοράς διαλυμένου ρύπου που υπόκειται σε μονοδιάστατη μεταγωγή και τριδιάστατη υδροδυναμική διασπορά. Επιλέχτηκαν επτά δοκιμές πεδίου που διενεργήθηκαν σε τέσσερις ήδη ρυπασμένους χώρους, και αναζητήθηκαν αναλυτικές λύσεις της εξίσωσης μεταφοράς που να αντιστοιχούν στις αρχικές συνθήκες των επί τόπου δοκιμών. Τα πειράματα μεταφοράς που παρουσιάζονται αντιστοιχούν σε στιγμιαία έκλυση ρύπου από σημειακή ή ορθογώνια παραλληλεπίπεδη πηγή καθώς και σε συνεχή έκλυση ρύπου από ορθογώνια παραλληλόγραμμη πηγή σταθερής έντασης. Για την απάντηση του βασικού ερωτήματος, έγινε προσπάθεια προσομοίωσης της περιοχής στην οποία εξαπλώθηκαν οι ιχνηθέτες με την εφαρμογή των αναλυτικών εξισώσεων. Στις περιπτώσεις που δεν βρέθηκαν πειραματικά δεδομένα για τη μεταφορά των ιχνηθετών, επιλέχτηκαν κατάλληλες τιμές των παραμέτρων των μηχανισμών της ρόφησης και υποβάθμισης, ώστε να προκύψουν αξιόπιστα αναλυτικά αποτελέσματα. Με δεδομένες τις υπόλοιπες παραμέτρους των αναλυτικών λύσεων της εξίσωσης μεταφοράς, αναζητήθηκαν εκείνες οι τιμές των συντελεστών μηχανικής διασποράς για τις οποίες επιτυγχάνεται προσαρμογή των αναλυτικών στα πειραματικά δεδομένα. Αρχικά, οι τιμές των συντελεστών μηχανικής διασποράς προσδιορίστηκαν από εμπειρικές σχέσεις και έγινε προσπάθεια σύγκλισης του εύρους και της μέγιστης συγκέντρωσης των κατανομών του πειράματος και της αναλυτικής εξίσωσης, κατά τη διαμήκη και εγκάρσια διεύθυνση. Εφόσον δεν επιτεύχθηκε σύγκλιση των κατανομών συγκέντρωσης του πειράματος και της αναλυτικής εξίσωσης για τις τιμές των συντελεστών μηχανικής διασποράς από τις εμπειρικές σχέσεις, πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες σύγκλισης με τη μέθοδο δοκιμής-λάθους. Τέλος, για τις τιμές των συντελεστών μηχανικής διασποράς που επιλέχτηκαν, πραγματοποιήθηκε σύγκριση των πειραματικών και αναλυτικών δεδομένων για ρύπους που παρουσιάζουν ρόφηση και υποβάθμιση, επιλέγοντας τις αντίστοιχες παραμέτρους από την επιστημονική βιβλιογραφία ή από εργαστηριακές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν παράλληλα με τα πειράματα μεταφοράς. Το βασικό συμπέρασμα που προέκυψε είναι ότι η επάρκεια προσομοίωσης της ρυπασμένης περιοχής με την εφαρμογή αναλυτικών εξισώσεων εξαρτάται από τη διακύμανση των τιμών των υδρογεωλογικών παραμέτρων του υδροφορέα. Η διαδικασία προσομοίωσης έδειξε ότι οι αναλυτικές εξισώσεις μπορούν να προσομοιώσουν επαρκώς το εύρος της ρυπασμένης περιοχής σε σχετικά ομοιογενείς υδροφορείς. Επιπλέον, για αυτή την κατηγορία υδροφορέων παρατηρήθηκε σχετικά ικανοποιητική προσομοίωση της μέγιστης συγκέντρωσης των κατανομών του πειράματος. Αντίθετα, σε υδροφορέα που παρουσιάζει μεγάλη ανομοιογένεια, δεν επιτεύχθηκε επαρκής προσομοίωση του πραγματικού εύρους της ρυπασμένης περιοχής. Παράλληλα, οι συντελεστές μηχανικής διασποράς που προέκυψαν από τη διαδικασία της προσομοίωσης παρουσίασαν τάση αύξησης με την κλίμακα, όπως αναμένονταν με βάση τα θεωρητικά δεδομένα για το φαινόμενο της διασποράς, και ήταν γενικά ίδιας τάξης μεγέθους με τις αντίστοιχες μετρημένες τιμές των συντελεστών μηχανικής διασποράς που βρέθηκαν στην επιστημονική βιβλιογραφία. Το παραπάνω συμπέρασμα ενθαρρύνει την χρησιμοποίηση απλών αναλυτικών εξισώσεων για την πρόβλεψη της μεταφοράς διαλυμένων ρύπων στο υπόγειο νερό σχετικά ομοιογενών υδροφορέων. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς για αυτή την κατηγορία υδροφορέων, απλά μοντέλα μεταφοράς όπως οι αναλυτικές λύσεις της εξίσωσης μεταφοράς μπορούν να δώσουν μια πρώτη εκτίμηση για τη μεταφορά των διαλυμένων ρύπων στο υπόγειο νερό, πριν χρησιμοποιηθούν πολυπλοκότερα και ακριβέστερα μοντέλα μεταφοράς.	el
heal.abstract	This thesis examines the transport of dissolved contaminants in the groundwater of natural aquifers. The need to predict solute transport led to the development of transport models, simple or complex. These models require the determination of a large number of parameters that describe the physical and chemical mechanisms of transport. Apart from determining the parameters for advection, diffusion and dispersion, it is required to define parameters that describe the chemical processes that dissolved contaminants are subjected to during their transport in groundwater. What is more, because of the difficulty in identifying, on the basis of the contaminant plume shape, the contribution of these processes to the transport of dissolved contaminants, transport problems are ill defined. The thesis aims to evaluate whether contaminant plumes can be simulated by a simple transport model such as the analytical solutions of the differential transport equation. In order to achieve this goal, a search was conducted in the scientific literature for transport experiments with tracers in natural aquifers, with well defined (a) the hydrogeological characteristics of the aquifer and (b) the quantities of contaminants introduced into the saturated zone. Moreover, analytical solutions of the three-dimensional solute transport differential equation were sought, where dissolved contaminants are subjected to one-dimensional advection and three-dimensional hydrodynamic dispersion. Seven field-scale natural gradient tests were selected, which were conducted in four already contaminated aquifers. Analytical solutions of the transport equation were matched to the initial conditions of the field-scale tests. The chosen transport experiments represent instantaneous pulse release from a point or rectangular parallelepiped source, and continuous contaminant release from rectangular parallelogram source of constant concentration. To answer the basic question, it was attempted to simulate the tracer plumes with analytical equations. When experimental data on tracer transport were missing, sorption and degradation parameters were selected from the literature, in order to generate reliable analytical results. With known values for all the other parameters, dispersivity values were sought to achieve reasonable matching between analytical and experimental data. At first, dispersivity values were determined from empirical relationships and it was attempted to match the range and maximum concentration of the experimental and analytical distributions, in the longitudinal and transverse direction. If convergence of experimental and analytical concentration distributions was not achieved for the dispersivities determined from the empirical relationships, it was attempted to achieve convergence by applying the trial-and-error method. Finally, for the dispersivities selected, a comparison of the experimental and analytical data for contaminants that exhibit sorption and degradation was conducted, by selecting the corresponding parameters from the scientific literature or from laboratory tests accompanying the transport experiments. The main conclusion drawn is that the adequacy of contaminant plume simulation by applying analytical equations depends on the variance of the aquifer’s hydrogeological parameters. Simulation results indicated that the analytical equations can adequately reproduce the range of contaminant plumes in relatively homogeneous aquifers. Furthermore, for this aquifer category, the simulation of the maximum concentration of the experimental concentration distributions was relatively satisfactory. On the contrary, in an aquifer that is very heterogeneous, adequate simulation of the real extent of contaminant plumes was not achieved. The dispersivities that emerged from the simulation process tended to increase with scale, as expected based on the theory behind mechanical dispersion, and were generally of the same order of magnitude as the corresponding measured dispersivities found in the scientific literature. These conclusions encourage the use of simple analytical equations for predicting the transport of dissolved contaminants in relatively homogeneous aquifers. This is particularly important, because for this aquifer category, a simple transport model, such as the analytical solutions of the transport equation, can give an initial estimate of the solute transport in groundwater before applying more complex and more accurate transport models.	en
heal.advisorName	Πανταζίδου, Μαρίνα	el
heal.committeeMemberName	Πανταζίδου, Μαρίνα	el
heal.committeeMemberName	Γεωργιάννου, Βασιλική	el
heal.committeeMemberName	Παπαδημητρίου, Αχιλλέας	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	190 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true