Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

The verification of the estimation of transport and sorption parameters in the MATLAB environment. A column test

Okońska M., Kaczmarek M., Małoszewski P., Marciniak M.

Geology, Geophysics and Environment

|

2017

|

Vol. 43, no. 3

213--227

EN

Mathematical modelling of the migration of pollutants in the groundwater environment requires knowledge of the values of transport and sorption parameters. The aim of this study was 1) to determine the values of advection, dispersion and sorption parameters of selected tracers that are transported through a porous medium, and 2) to verify the applied parameters estimation procedure. The authors examined the migration of a solution containing conservative and reactive tracers (chloride, nitrate, lithium and ammonium ions) through a sample of medium sand. The soil sample for the column test was taken from an aquifer near the Tursko groundwater intake (Wielkopolska province, Poland). The parameter estimation procedure, conducted in the MATLAB environment, included the numerical solution of the differential equations of transport and sorption, and the application of the numerical optimization method. During the identification, the authors tested twelve mathematical models including the advection-dispersion model, as well as single and hybrid (i.e. two-site) sorption models. The authors made a comparison of parameter values obtained by means of the global and local optimization method. The fitting quality was assessed by calculating the root mean square error RMSE and correlation coefficient r. As a result of the research, the authors determined the values of the advection-dispersion parameters: hydraulic conductivity k, effective porosity n e, and longitudinal dispersivity α. The authors found out that the nature oflithium ions migration is best captured by the single sorption model (equilibrium sorption), whereas the nature of ammonium ions migration is by the hybrid model with irreversible sorption. Lithium ions on the tested soil revealed low sorption intensity, ammonium ions showed medium intensity, while nitrate ions were transported at the same rate as chloride ions, exhibiting no retardation. The verification of parameter estimation in the MATLAB environment was carried out by comparing it against the alternative, well-known and often tested method, based on analytical solutions of the transport and sorption equation, combined with optimization within the FIELD and KLUTE-STEP programmes.

2

Oddziaływanie termiczne budynku wielkogabarytowego na wody podziemne w rejonie stacji badawczej Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

Okońska M., Oleksiewicz M., Marciniak M.

Przegląd Geologiczny

|

2015

|

Vol. 63, nr 10/2

985--991

EN

During the groundwater monitoring in the area of AMU Faculty of Geographical and Geological Sciences research station, increased water temperature in observation wells located in the vicinity of the building has been reported. In the article the thermal impact degree of buildings on groundwater in the research area was determined. For this purpose, (1) the water temperature measurements in various observation wells for 2002–2015 were summarized; (2) the hydraulic conductivity values of the aquifer determined by field method in two periods of building activity were compared; (3) temperature distribution profiles in the selected observation wells were done, and (4) thermography images of the research object were made. There was also calculated the amount of heat Q emitted into the environment by building complex. The study used data from the observation well located inside the WNGiG building.

3

Analiza parametryczna krzywej przejścia znacznika przez kolumnę filtracyjną

Marciniak M., Okońska M., Kaczmarek M., Kazimierska-Drobny K.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2013

|

nr 456 Hydrogeologia z. 14/2

385--390

PL

Kształt krzywej przejścia znacznika przez kolumnę filtracyjną jest zdeterminowany przez udział różnych mechanizmów migracji, zachodzących podczas transportu danej substancji. Na podstawie interpretacji krzywej przejścia można rozpoznać wartości parametrów filtracji i migracji znacznika przez próbkę gruntu, tj. dokonać kalibracji modelu. Celem badań opisanych w artykule była analiza zależności kształtu krzywej przejścia od procesów zachodzących w kolumnie i wartości parametrów filtracji i migracji. Opracowano model matematyczny eksperymentu kolumnowego i napisano kod dla jego rozwiązania metodą elementów skończonych w środowisku obliczeniowym MATLAB. Na podstawie analizy parametrycznej modelu zbadano zależność kształtu krzywej przejścia od parametrów procesów filtracji i migracji. Analizę parametryczną przeprowadzono dla parametrów występujących w makroskopowym opisie matematycznym procesu migracji uwzględniając mechanizmy adwekcji, dyfuzji i dyspersji. Proces sorpcji opisano równowagowymi modelami Henry’ego, Freundlicha lub Langmuira lub liniowym modelem kinetycznym sorpcji odwracalnej lub nieodwracalnej. Obliczenia przeprowadzono przy założeniu, że na wejściu do kolumny znacznik jest iniekowany przez krótki czas, co można traktować jako superpozycję dwóch impulsów Heaviside’a o przeciwnych amplitudach, przesuniętych w czasie. Zakres zmienności parametrów dobierano uwzględniając podawane w literaturze dane dotyczące parametrów migracji w warunkach laboratoryjnych.

EN

The shape of a breakthrough curve charactering tracer migration in a filtration column is determined by several migration processes that occur during the transport of the tracer. The research presented in this paper was based on the interpretation of a breakthrough curve. This interpretation was performed in order to establish the parameters of water flow and tracer migration in a sample of soil. The relationship between the shape of a breakthrough curve and the processes that occur in the filtration column, as well as the parameters of water flow and tracer migration, were characterized. A mathematical model of a column experiment was formulated and solved using the MATLAB computational environment. Based on the sensitivity test executed for the model, the relation between the curve’s shape and the parameters of water flow and tracer migration was established. The sensitivity test was used for the parameters included in the mathematical equation of water flow and the following migration processes: advection, diffusion, dispersion, and sorption described by the Henry, Freundlich and Langmuir equations, as well as kinetic models of sorption. Calculations were performed assuming that the tracer is briefly injected at the input of the column. Such procedure creates conditions which resemble the superposition of two Heaviside impulses shifted in time and of opposite amplitudes. The variability range of the analyzed parameters was selected in accordance with data reported in the literature on migration parameters in laboratory conditions.

4

Rozpoznanie hydrogeologiczne jako element przygotowań do badań migracji znacznika w warstwie wodonośnej

Okońska M., Wolny F.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2011

|

nr 445 Hydrogeologia z. 12/2

447--454

PL

W artykule przedstawiono wyniki rozpoznania hydrogeologicznego, które przeprowadzono podczas badań migracji znacznika w warstwie wodonośnej w skali lokalnej. Badania dotyczyły fragmentu Sandru Naramowickiego, struktury hydrogeologicznej położonej w rejonie miasta Poznania. Podczas przeprowadzonych prac terenowych i laboratoryjnych rozpoznano budowę geologiczną rejonu badań, głębokość położenia zwierciadła wody podziemnej, kierunki przepływu wody podziemnej i jej skład chemiczny, a także wybrane parametry filtracji. Rozpoznano zachodzącą relację pomiędzy wodami powierzchniowymi i podziemnymi. Ustalenie warunków hydrogeologicznych na obszarze planowanych badań migracji znacznika pozwoliło prawidłowo zaplanować doświadczenie terenowe w hydrowęźle badawczym.

EN

In this paper, the results of a hydrogeological reconnaissance are presented. It was performed during the analysis of a tracer migration through an aquifer on a local scale. The research focused on a fragment of the Naramowicki Sandur, a hydrogeological structure located in the vicinity of Poznan, Poland. The subjects of field and laboratory work included describing the geological structure of this area, and measuring the depth of the water table, the directions of water flow and the concentrations of chemical compounds in the groundwater. Some chosen filtration parameters were also analyzed. Furthermore, the relationship between groundwater and surface waters was diagnosed. The analysis of the hydrogeological conditions of the area designated for tracer migration research rendered it possible to properly plan field experiments in a set of observation wells.

5

Procedura kalibracji wieloparametrycznego modelu migracji znaczników przez próbkę gruntu

Okońska M.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2009

|

nr 436, z. 9/2

345-352

PL

W celu identyfikacji parametrów migracji znaczników w ośrodku porowatym przeprowadzono badania laboratoryjne i modelowe. Badania laboratoryjne polegały na zarejestrowaniu krzywych przejścia wybranych znaczników przez próbkę piasku w kolumnie filtracyjnej. Natomiast badania modelowe obejmowały skonstruowanie za pomocą oprogramowania Visual MODFLOW Pro v.3.1 oraz MT3D99 numerycznego modelu kolumny filtracyjnej i odtworzenie w drodze symulacji warunków badań laboratoryjnych. Wyznaczenie wartości parametrów migracji znaczników przeprowadzono na modelu numerycznym poprzez proces kalibracji modelu metodą kolejnych przybliżeń. Artykuł szczegółowo przedstawia metodykę tarowania wieloparametrycznego modelu migracji na wybranym przykładzie. Wypracowana procedura tarowania modelu numerycznego prowadzi do uzyskania zestawu parametrów opisujących takie procesy, jak adwekcja, dyspersja hydrodynamiczna oraz adsorpcja. Kalibrację oceniano poprzez porównanie krzywych przejścia doświadczalnych i obliczeniowych na podstawie sformułowanych własnych kryteriów zgodności tych krzywych. Otrzymane wyniki poddano dodatkowo weryfikacji metodą rozwiązań analitycznych.

EN

In order to identify parameters of tracer migration in porous medium there was conducted laboratory and model research. Laboratory research was based on registering the breakthrough curves of selected tracers through sand sample in filtration column. Model research involved creating through Visual MODFLOW Pro v.3.1 and MT3D99 software, numerical model of filtration column and reflecting laboratory research conditions through numerical simulation. Identification of tracer migration parameters was conducted on numerical model by the method of succeeding iterations. The article presents in detail the calibration procedure of multi-parameter model of migration on the selected example. The procedure of calibration numerical model, which was worked out by the author, leads to achieving the set of parameters describing such processes as advection, hydrodynamic dispersion and adsorption. Calibration was evaluated by comparison of numerical and experimental breakthrough curves on the basis of author's own criteria of compatibility of the curves. The results which were obtained underwent additional verification by the method of analytical solutions.

6

Identyfikacja parametrów hydrogeologicznych na podstawie modelowania krzywej przejścia w środowisku MATLAB

Kaczmarek M., Kazimierska-Drobny K., Marciniak M., Okońska M.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2008

|

nr 431, Hydrogeologia

75-84

PL

W badaniach przeprowadzonych w skali laboratoryjnej wykonano serię eksperymentów kolumnowych w trzech wymiarach kolumn oraz z dwoma rodzajami znaczników. W wyniku doświadczeń zarejestrowano krzywe przejścia, przedstawiające zmienność koncentracji znacznika w funkcji czasu. Zachodzące podczas eksperymentów kolumnowych procesy filtracji oraz migracji opisano za pomocą równań matematycznych. Przeprowadzono badania parametryczne dla przyjętego modelu matematycznego, wykorzystując rozwiązania numeryczne metodą elementów skończonych. Identyfikację parametrów hydrogeologicznych wykonano nową metodą, wykorzystującą optymalizację numerycznąi funkcję wbudowaną w środowisku obliczeniowym MATLAB. Przedyskutowano wyniki przeprowadzonej indetyfikacji parametrów hydrogeologicznych.

EN

Series of laboratory column tests with three sizes of columns and two kinds of tracers were performed. As the result the breakthrough curves which showed the dependence of tracers' concentration on time were obtained. The proceses of water filtration and transport of pollutants in columns were described by appropriate mathematical equations. For the given model the parametric studies were done using numerical solutions obtained by finite element method. The identification of hydrogeological parameters was carried out by the proposed new method using build in function of numerical optimization within MATLAB environment. The results of identification of hydrogeological parameters were discussed.

7

Identyfikacja parametrów migracji zanieczyszczeń w porowatym ośrodku hydrogeologicznym metodą modelowania eksperymentu kolumnowego

Okońska M.

Geologos

|

2006

|

Vol. 9 Monographiae 3

5--97

PL

1.1. Cel pracy badawczej Proces migracji zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej jest obecnie przedmiotem wielu badań. Zagadnienie to jest aktualne z uwagi na realną możliwość zanieczyszczenia wód podziemnych przez szereg ognisk zanieczyszczeń, takich jak nieodpowiednio zabezpieczone składowiska odpadów, nieprawidłowo nawożone pola uprawne czy wylewiska rożnego rodzaju ścieków. Zanieczyszczenia, po przesączeniu się przez strefę aeracji, dostają się do strumienia wód podziemnych, powodując często niekorzystne zmiany składu fizyczno-chemicznego wód (rys. 1.1). Istotne jest zatem rozpoznanie sposobu przemieszczania się rożnych substancji zanieczyszczających w warstwie wodonośnej oraz rozpoznanie możliwości ich usuwania lub rozcieńczania. Do prognozowania migracji zanieczyszczeń stosuje się obecnie w hydrogeologii rozwiązania analityczne oraz metody symulacji komputerowych. Zarówno rozwiązanie równań analitycznych, jak i przeprowadzenie modelowania procesów migracji metodami numerycznymi wymaga zdefiniowania warunków granicznych (brzegowych i początkowych) oraz znajomości parametrów. Celem podjętej pracy było wypracowanie metody, pozwalającej na identyfikację, czyli wyznaczanie wartości, parametrów migracji potrzebnych do prognozowania przemieszczania się zanieczyszczeń w porowatym ośrodku hydrogeologicznym. W trakcie przeprowadzonych badań uwzględniono parametry występujące w ma tematycznym opisie takich procesów, jak: adwekcja, dyfuzja, dyspersja oraz sorpcja (Kleczkowski (red.), 1984; Małecki i in., 2006; Visual MODFLOW..., 2002): a) parametry przenoszenia adwekcyjnego (konwekcyjnego): – współczynnik filtracji k, – współczynnik porowatości całkowitej n i współczynnik porowatości aktywnej na, – współczynnik sprężystej pojemności wodnej Ss i współczynnik grawitacyjnej pojemności wodnej Sy, b) parametry dyfuzji i dyspersji hydrodynamicznej: – stała dyspersji α, – współczynnik dyspersji całkowitej D, – współczynnik dyfuzji molekularnej DM, c) parametry sorpcji: – stała podziału K, – współczynnik opóźnienia R. 1.2. Zakres badań W badaniach migracji substancji w ośrodku hydrogeologicznym można obserwować istniejące ognisko zanieczyszczeń lub przeprowadzić zaplanowany eksperyment. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że przy wyznaczaniu parametrów migracji znaczenie ma skala badań: skala regionalna, skala lokalna (hydrowęzła) lub skala próbki (laboratoryjna). W ramach niniejszej pracy zdecydowano się na wypracowanie metody identyfikacji parametrów migracji na podstawie zaplanowanej serii eksperymentów przeprowadzonych w skali laboratoryjnej. Przy wyborze skali badań kierowano się następującymi względami: – początkowy etap badań, – możliwość dobrego rozpoznania składników bilansu przepływu i koncentracji znacznika, – zebranie danych do zaplanowania eksperymentu w większej skali, – relatywnie niski koszt badań, – stosunkowo krótki czas badań. W pierwszym etapie badań przeprowadzono osiemnaście doświadczeń laboratoryjnych na aparacie nazwanym sorpcjometrem kolumnowym SK-2000 (Marciniak i in., 2001). Doświadczenia obejmowały badania migracji wybranych substancji przez próbki gruntu. Badania laboratoryjne przeprowadzono na trzech rodzajach naturalnych gruntów, zróżnicowanych granulometrycznie, przy użyciu trzech rożnych roztworów, z których każdy zawierał wybrane jony pełniące funkcję znaczników (rys. 1.2). W wyniku eksperymentów uzyskano krzywe przejścia znacznika idealnego (znacznika ulegającego procesom adwekcyjno-dyspersyjnym) i znaczników sorbowanych (znaczników ulegających procesom adwekcyjno-dyspersyjnym i sorpcji). Zarejestrowane doświadczalnie krzywe przejścia znaczników przez grunty były następnie przedmiotem interpretacji, przeprowadzonej metodą numeryczną. W programach Visual MODFLOW Pro v.3.1 i MT3D99 skonstruowano modele, odtwarzające geometrię próbki gruntu i warunki z doświadczeń laboratoryjnych. W wyniku kalibracji modeli numerycznych uzyskano wartości parametrów dyspersji hydrodynamicznej i parametrów sorpcji. W celu weryfikacji otrzymanych wartości parametrów dodatkowo przeprowadzono sprawdzające obliczenia analityczne. Punktem wyjścia do obliczeń były uzyskane w doświadczeniach laboratoryjnych krzywe przejścia.

EN

The aim of research work The process of pollutants migration in an aquifer has been investigated by a lot of research. The issue is an object of current interest because of the possibility of the groundwater pollution coming from many pollution sources, such as inappropriately secured landfills, improperly fertilized farmland or places for spillage communal and industrial wastewaters (Fig. 1.1). The pollutants cause unfavourable changes of water quality. Therefore, it is important to recognize the way the pollutants migrate in an aquifer and to identify the possibilities of their removal or dilution. To predict how the pollutants migrate analytical solutions and computer simulation methods are used in hydrogeology. However, both solving analytical equations and conducting of the migration process modelling by numerical methods require, apart from defining the boundary and initial conditions, the knowledge of hydrogeological parameter values. The aim of the research was to work out a method, which would allow identifying the hydrogeological parameters of water filtration and pollutants migration (achieving the parameter values) required to predict the pollutants transport in a groundwater porous medium. During the research the parameters appearing in a mathematical description of such processes as advection, dispersion and sorption were taken into account. The scope of research The research procedure included two basic stages. First the planned sequences of column experiments in laboratory conditions were conducted. The eighteen identification experiments were done by means of an apparatus called a column sorptiometer SK-2000 (Fig. 3.1, Phot. 3.2–3.3). The experiments involved the exploration of chosen substances migration through the ground samples (40 mm wide and 100mmhigh). The experiments were carried out with three kinds of natural grounds (coarse sand, semi-coarse sand and fine sand) for three types of solutions (Fig. 1.2– see below), all of which included selected ions performing as tracers. Chloride ions were used as a conservative tracer undergoing advection and dispersion processes. Lithium ions and ammonium ions were treated as the sorbed tracers undergoing advection, dispersion and sorption processes. For each of the tracers a continuous injection and a short injection of solution were applied (Fig. 2.11, Fig. 2.13). As a result of these experiments the jump and the impulse breakthrough curves of the tracer were accordingly registered. In all 18 breakthrough curves were registered (Fig. 4.3–4.18). In the course of the experiments selected parameters as a pHvalue, a temperature and a flow rate were monitored. After completing the laboratory research, in the second stage of work the registered breakthrough curves were interpreted by the numerical method. The eighteen numerical models of the filtration column were constructed by means of Visual MODFLOW Pro v.3.1 and MT3D99 programs. Each experiment had a separate model, which reflected the geometry of a ground sample in a 1:1 scale and simulated the conditions of the laboratory experiment (Fig. 5.2–5.3). The hydrodynamic parameters’ values were examined on the basis of the measurements taken during laboratory research as well as on the basis of figures resulting from porosimetric research. The migration parameters’ values were searched in the process of individual model calibration. The calibration of the model was carried out by comparing the calculated breakthrough curves to experimental ones (Fig. 5.5). The calibration process was carried out by applying the consecutive approximation method until the assumed compatibility criteria were met. As the result of the applied investigation procedure, hydrodynamic dispersion and sorption parameters were determined (Tab. 5.8–5.10). Calibration correctness was proved by additional analytical calculations, which enabled estimating hydrogeological parameters’ values (Fig. 5.8). The research results As the result of the laboratory and model research, the method that allows identifying the chosen migration parameters necessary for predicting the pollutants transport in a groundwater porous medium has been worked out. The research procedure presented in the paper concerns the identification experiments carried out in laboratory conditions and enables obtaining parameters’ values in the laboratory scale. As the result of numerical model calibration a longitudinal dispersivity value αL (for a sample scale) and a distribution coefficient Kd for a linear sorption isotherm were obtained. The hypothesis of the possibility of identifying pollutants migration parameters in a well and medium permeable porous medium by the method of the column experiment modelling was proved. The identification method shown in this work has its limitations, which result from the assumed advection dispersion and sorption scheme of migration process. In the course of the research it was confirmed that the reliability of the obtained results is strongly dependent on recognizing the processes occurring during ions migration through a given medium as well as on determining precisely the parameter values measured in an identification experiment. During numerical model calibration the particularly big influence of the permeability coefficient k and the effective porosity na values on the obtained result was registered. On the basis of the research done on the identification of pollutants migration parameters in a groundwater porous medium, the following practical conclusions can be drawn: – The application of 3-D numerical solutions enables simulating spatial character of examining migration processes and it allows avoiding excessively complicated analytical solutions. – Making use of the obtained research results for predicting migration processes in a bigger scale requires recalculating parameters’ values onto a forecast model scale. On the basis of the research one may expect that the presented identification procedure can be also applied when the identification experiments are car- ried out in outdoor conditions, i.e. in a local or even regional scale. The numerical model can refer to the selected fragment of the research area, maintaining its representativeness, with no necessity of changing a scale. The parameters’ values determined by a numerical model can be entered into a proper forecast model, designed in the same computer program. Further research will be carried out towards the possibility of using the developed method for identifying selected migration parameters in a local scale, better recognition of the conditions of an identification experiment as well as the algorythmization of a model calibration process.