Carrera Ramirez, Jesus
Total activity: 706
Research group
GHS - Hydrogeology Group

Graphic summary
  • Show / hide key
  • Information


Scientific and technological production
  •  

1 to 50 of 706 results
  • Interaction between groundwater and underground constructions  Open access

     Pujades Garnes, Estanislao
    Defense's date: 2013-11-27
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Les construccions subterrànies realitzades sota el nivell piezométric poden ser problemàtiques si no es reconeix el paper de l'aigua subterrània. Les dificultats augmenten en ambients urbans. La interacció amb l'aigua subterrània té lloc en els dos sentits 1) els impactes causats per la construcció sobre l'aqüífer i 2) les dificultats que, durant la construcció, causarà la presència d'aigua subterrània. Per això, el disseny d'una construcció subterrània ha de minimitzar els impactes al medi subterrani i garantir la seguretat dels treballadors i la integritat de les estructures adjacents. Les mesures adoptades no han de complicar en excés el desenvolupament de les obres ni sobrecarregar el cost total de l'obra. En resum, la construcció ha de ser eficient. Aquestes preguntes van sorgir durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona, adjacent a la Sagrada Família. En aquesta tesi es proposen respostes a les mateixes.Els impactes sobre l'aqüífer poden ser de dos tipus: l'efecte dren i l'efecte barrera. Mentre que el primer ha estat àmpliament estudiat, el segon no ha estat formalitzat adequadament, la qual cosa constitueix el primer objectiu d'aquesta tesi. Per calcular les variacions de nivell causades per una estructura subterrània impermeable, es deriven equacions per a diverses condicions d'obra i per a mesures correctores. S'han verificat amb dades de construccions reals.La subsidència causada pel drenatge d'excavacions profundes és un dels temors més condicionants del disseny. Una de les maneres de reduir-la, consisteix a aprofundir els recintes (pantalles, pilotis, columnes de jet-grouting) amb la finalitat d'evitar o minimitzar el bombament. El segon objectiu d'aquesta tesi és qüestionar l'eficàcia d'aquestes mesures, que augmenten el cost de la construcció, ja que els seients causats pel bombament solen ser petits i menys perillosos (poc diferencials) del temut. A més, el bombament estabilitza la base de les excavacions. Per això realitzar recintes més profunds pot ser menys eficient que combinar recintes curts i pous de bombament profunds. És obvi que ambdues alternatives han de comparar-se adequadament. Per a això, s'han estudiat una sèrie d'escenaris de drenatge que són comparats tenint en compte la seguretat, les afeccions externes i el cost. Les variacions entre els diferents escenaris són les profunditats dels recintes i dels pous de bombament. Els resultats mostren que combinar pous de bombament profunds amb recintes curts és el mètode més eficient per dur a terme excavacions en sòls preconsolidats.Independentment del mètode utilitzat per dur a terme una excavació, el recinte, sempre juga un paper important, ja que garanteix l'estabilitat de les parets de l'excavació i evita l'entrada de flux lateral. La presència de petits defectes pot tenir conseqüències desastroses, la qual cosa faria inútil tot el treball previ orientat a desenvolupar una construcció eficient. Per tant, atès que els defectes són relativament comuns, que les tècniques utilitzades per detectar defectes són limitades i que el comportament de l'aigua subterrània pot ser predit tenint en compte les estructures subterrànies existents. El tercer objectiu de la tesi és desenvolupar mètodes hidràulics per avaluar l'estat del recinte d'una excavació. Es mostra que aquests mètodes i, en particular, l'assaig de caracterització d'impermeabilització (WTAT) permeten tant estimar els paràmetres efectius del recinte com localitzar els defectes.Finalment, els passos seguits durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona evidencien la importància d'una bona caracterització geològica. Si el sòl és ben conegut, tots els aspectes associats amb la construcció poden ser estimats amb precisió, la qual cosa resulta crucial per dissenyar una construcció subterrània eficient. . La geologia, la hidrogeologia i els processos històrics soferts pel sòl han de ser ben coneguts.

    Eliminats de l'annex el text complet dels articles citats per respectar els dret dels editors.

    Underground constructions below the water table may be problematic if the role of groundwater is not properly acknowledged. Difficulties worsen in urban environments. Two aspects should be taken into account in the interaction between underground constructions and groundwater, 1) the impacts caused by the construction in the aquifers and 2) the difficulties that groundwater causes during the construction. Therefore, the design of an underground construction must be minimize the impacts in the underground environment as well as guaranteeing the safety of the workers and the integrity of adjacent structures. The adopted measures must not complicate the development of the construction and must not increase the total cost. To sum up, the construction must be efficient. These questions arose during the construction of the High Speed Train (HST) tunnel in Barcelona, which passes next to the Sagrada Familia. This thesis proposes answers to the questions which came up. Two problems may arise when a construction intersects an aquifer, the drain and the barrier effect. While the former has been widely studied, the second has not been adequately formalized and this is the first aim of the thesis. Analytical solutions are obtained to compute the head variations caused by an underground impervious structure. The solutions allow computing of the impact under different circumstances and to design corrective measures. The proposed equations were verified by using the data from real underground constructions. Subsidence caused by dewatering processes of deep excavations is feared. This fact affects the design. One option to reduce subsidences consist on deepen the enclosures (diaphragm walls, piles, jet-grouting piles) in order to avoid or minimise the dewatering. The second objective is to discuss the effectiveness of this measure, which rise the cost of the constructions, since drawdown caused by pumping are usually small and less dangerous (poorly differential) than is expected. Moreover, the pumping stabilizes the bottom of excavations. Therefore, to deepen the enclosures may be less efficient than combining short enclosures with deep pumping wells. Both alternatives must be compared. Thus, a number of dewatering scenarios, where the depth of the enclosures and the pumping wells are varied, are compared considering the safety, the outside affectations and the cost. Results show that combining deep pumping wells with short enclosures can become the most efficient method to perform excavations in preconsolidated soils. ii Regardless of the method used to perform an excavation, the enclosure, always, plays an important role since it guarantees the stability of the excavation walls and prevents the entrance of lateral flow. The presence of small defects may lead to disastrous consequences, which would invalidate all the previous work oriented to develop an efficient construction. Therefore, given that the defects are relatively common, that the techniques used to detect defects are limited and that the groundwater behaviour taking into account underground structures can be predicted, the third objective of the thesis is to develop hydraulic methods to assess the state of an enclosure. These methods, specifically the Watertightness Assessment Test (WTAT), are used as much to estimate the effective parameters of the enclosure as to locate the defects. Finally, the steps followed during the construction of the HST tunnel in Barcelona demonstrate the importance of the geological characterisation. If the soil is well known, all the aspects associated with the construction can be predicted accurately, which is crucial for designing an efficient underground construction. The geology, the hydrogeology and the historical processes suffered by the soil must be characterized accurately.

    Las construcciones subterráneas realizadas por debajo del nivel piezométrico pueden ser problemáticas si no se reconoce el papel del agua subterránea. Las dificultades aumentan en ambientes urbanos. La interacción con el agua subterránea tiene lugar en las dos direcciones 1) los impactos causados por la construcción sobre el acuífero y 2) las dificultades que, durante la construcción, causará la presencia de agua subterránea. Por ello, el diseño de una construcción subterránea debe minimizar los impactos en el medio subterráneo y garantizar la seguridad de los trabajadores y la integridad de las estructuras adyacentes. Las medidas adoptadas no deben complicar en exceso el desarrollo de las obras ni sobrecargar el coste total de la obra. En resumen, la construcción debe ser eficiente. Estas preguntas surgieron durante la construcción del túnel para el Tren de Alta Velocidad (HST) en Barcelona, adyacente a la Sagrada Familia. En esta tesis se proponen respuestas a las mismas. Los impactos sobre el acuífero pueden ser de dos tipos: el efecto dren y el efecto barrera. Mientras que el primero ha sido ampliamente estudiado, el segundo no ha sido formalizado adecuadamente, lo que constituye el primer objetivo de esta tesis. Para calcular las variaciones de nivel causadas por una estructura subterránea impermeable, se derivan ecuaciones para diversas condiciones de obra y para medidas correctoras. Se han verificado con datos de construcciones reales. La subsidencia causada por el drenaje de excavaciones profundas es uno de los temores más condicionantes del diseño. Una de las maneras de reducirla, consiste en profundizar los recintos (pantallas, pilotes, columnas de jet-grouting) con el fin de evitar o minimizar el bombeo. El segundo objetivo de esta tesis es cuestionar la eficacia de estas medidas, que aumentan el coste de la construcción, ya que los asientos causados por el bombeo suelen ser pequeños y menos peligrosos (poco diferenciales) de lo temido. Además, el bombeo estabiliza la base de las excavaciones. Por ello realizar recintos más profundos puede ser menos eficiente que combinar recintos cortos y pozos de bombeo profundos. Es obvio que ambas alternativas deben compararse adecuadamente. Para ello, se han estudiado una serie de escenarios de drenaje que son comparados teniendo en cuenta la seguridad, las afecciones externas y el coste. Las variaciones entre los diferentes escenarios son las profundidades de los recintos y de los pozos de bombeo. Los resultados muestran que combinar pozos de bombeo profundos con recintos cortos es el método más eficiente para llevar a cabo excavaciones en suelos preconsolidados. Independientemente del método utilizado para llevar a cabo una excavación, el recinto, siempre juega un papel importante, ya que garantiza la estabilidad de las paredes de la excavación y evita la entrada de flujo lateral. La presencia de pequeños defectos puede tener consecuencias desastrosas, lo que haría inútil todo el trabajo previo orientado a desarrollar una construcción eficiente. Por lo tanto, dado que los defectos son relativamente comunes, que las técnicas utilizadas para detectar defectos son limitadas y que el comportamiento del agua subterránea puede ser predicho teniendo en cuenta las estructuras subterráneas existentes. El tercer objetivo de la tesis es desarrollar métodos hidráulicos para evaluar el estado del recinto de una excavación. Se muestra que estos métodos y, en particular, el ensayo de caracterización de impermeabilización permiten tanto estimar los parámetros efectivos del recinto como localizar los defectos. Por último, los pasos seguidos durante la construcción del túnel para el Tren de Alta Velocidad en Barcelona evidencian la importancia de una buena caracterización geológica. Si el suelo es bien conocido, todos los aspectos asociados con la construcción pueden ser estimados con precisión, lo que resulta crucial para diseñar una construcción subterránea eficiente. La geología, la hidrogeología y los procesos históricos sufridos por el suelo deben ser bien conocidos.

    Les construccions subterrànies realitzades sota el nivell piezométric poden ser problemàtiques si no es reconeix el paper de l'aigua subterrània. Les dificultats augmenten en ambients urbans. La interacció amb l'aigua subterrània té lloc en els dos sentits 1) els impactes causats per la construcció sobre l'aqüífer i 2) les dificultats que, durant la construcció, causarà la presència d'aigua subterrània. Per això, el disseny d'una construcció subterrània ha de minimitzar els impactes al medi subterrani i garantir la seguretat dels treballadors i la integritat de les estructures adjacents. Les mesures adoptades no han de complicar en excés el desenvolupament de les obres ni sobrecarregar el cost total de l'obra. En resum, la construcció ha de ser eficient. Aquestes preguntes van sorgir durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona, adjacent a la Sagrada Família. En aquesta tesi es proposen respostes a les mateixes. Els impactes sobre l'aqüífer poden ser de dos tipus: l'efecte dren i l'efecte barrera. Mentre que el primer ha estat àmpliament estudiat, el segon no ha estat formalitzat adequadament, la qual cosa constitueix el primer objectiu d'aquesta tesi. Per calcular les variacions de nivell causades per una estructura subterrània impermeable, es deriven equacions per a diverses condicions d'obra i per a mesures correctores. S'han verificat amb dades de construccions reals. La subsidència causada pel drenatge d'excavacions profundes és un dels temors més condicionants del disseny. Una de les maneres de reduir-la, consisteix a aprofundir els recintes (pantalles, pilotis, columnes de jet-grouting) amb la finalitat d'evitar o minimitzar el bombament. El segon objectiu d'aquesta tesi és qüestionar l'eficàcia d'aquestes mesures, que augmenten el cost de la construcció, ja que els seients causats pel bombament solen ser petits i menys perillosos (poc diferencials) del temut. A més, el bombament estabilitza la base de les excavacions. Per això realitzar recintes més profunds pot ser menys eficient que combinar recintes curts i pous de bombament profunds. És obvi que ambdues alternatives han de comparar-se adequadament. Per a això, s'han estudiat una sèrie d'escenaris de drenatge que són comparats tenint en compte la seguretat, les afeccions externes i el cost. Les variacions entre els diferents escenaris són les profunditats dels recintes i dels pous de bombament. Els resultats mostren que combinar pous de bombament profunds amb recintes curts és el mètode més eficient per dur a terme excavacions en sòls preconsolidats. vi Independentment del mètode utilitzat per dur a terme una excavació, el recinte, sempre juga un paper important, ja que garanteix l'estabilitat de les parets de l'excavació i evita l'entrada de flux lateral. La presència de petits defectes pot tenir conseqüències desastroses, la qual cosa faria inútil tot el treball previ orientat a desenvolupar una construcció eficient. Per tant, atès que els defectes són relativament comuns, que les tècniques utilitzades per detectar defectes són limitades i que el comportament de l'aigua subterrània pot ser predit tenint en compte les estructures subterrànies existents. El tercer objectiu de la tesi és desenvolupar mètodes hidràulics per avaluar l'estat del recinte d'una excavació. Es mostra que aquests mètodes i, en particular, l'assaig de caracterització d'impermeabilització (WTAT) permeten tant estimar els paràmetres efectius del recinte com localitzar els defectes. Finalment, els passos seguits durant la construcció del túnel per al Tren d'Alta Velocitat a Barcelona evidencien la importància d'una bona caracterització geològica. Si el sòl és ben conegut, tots els aspectes associats amb la construcció poden ser estimats amb precisió, la qual cosa resulta crucial per dissenyar una construcció subterrània eficient. La geologia, la hidrogeologia i els processos històrics soferts pel sòl han de ser ben coneguts.

  • Occurrence and fate of emerging contaminants in urban groundwater. A case study: Barcelona.

     Jurado Elices, Anna
    Defense's date: 2013-10-21
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Garantir una bona qualitat de l'aigua s'està convertint en un seriós problema en les zones urbanes. Els aqüífers urbans poden patir contaminació de diverses fonts de recàrrega, com fuites d'aigua de clavegueram i fosses sèptiques, filtracions des dels rius contaminats, intrusió marina, i pèrdues de la xarxa de proveïment d'aigua, entre d'altres. Per això, en els aqüífers urbans es troben diversos contaminants orgànics. La presència i evolució d'aquests contaminants als aqüífers depèn dels mecanismes de transport, així com dels processos químics i bioquímics. Per tant, una correcta avaluació de la qualitat de l'aigua subterrània requereix un enteniment de tots els processos que afecten aquests contaminants. No obstant això, la quantificació d'aquests processos no és una tasca fàcil. Els objectius d'aquesta tesi són investigar la presència de contaminants orgànics emergents (COEs) i els processos que els afecten en un aqüífer urbà.S'ha dut a terme una extensa revisió bibliogràfica de la presència de COEs en les aigües subterrànies d¿Espanya, juntament amb l'avaluació de possibles fonts de contaminació. Entre els contaminants orgànics que es troben en les aigües subterrànies, s'han analitzat nombrosos fàrmacs, drogues d'abús i productes de cura personal en l'aigua subterrània urbana de Barcelona. Les principals fonts de contaminació dels COEs en zones urbanes són la pèrdua de les xarxes de clavegueram i els efluents de les estacions depuradores d'aigües residuals.Una vegada que aquests contaminants són presents a l'aqüífer, les seves concentracions es veuen afectades per nombrosos processos, incloent dilució, adsorció i degradació. Molts COEs poden ser eliminats de l'aigua subterrània per processos de transformació o degradació, especialment si l'aqüífer ha passat per diferents estats redox. Per això, la identificació i quantificació dels processos redox a l'aqüífer és una qüestió clau.Per quantificar aquests processos, s'ha proposat un mètode que utilitza les proporcions de mescla. L'aplicació dels isòtops ambientals juntament amb les dades hidroquímiques ha proporcionat la quantificació isotòpica de fonts de recàrrega d'aigua subterrània i l'ocurrència de processos redox, com la sulfato reducció, la respiració aeròbica i desnitrificació. L¿ús d¿aquestes metodologies ha permès: (1) quantificar les proporcions de barreja en l'aigua subterrània i (2) avaluar els processos redox.

  • A methodology to assess the combined effect of climate change and groundwater overexploitation over the Upper Guadiana basin, Spain  Open access

     Sapriza Azuri, Gonzalo
    Defense's date: 2013-12-20
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    AzuriEl efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación de las aguas subterráneas podría llegar a ser crítico para la disponibilidad de recursos hídricos en la cuenca del Alto Guadiana (CAG) en el centro de España. Los modelos de circulación general del clima (GCM) son utilizados para evaluar el impacto del cambio climático. La salida de estos modelos no puede usarse directamente en modelos hidrológicos porque: (1) la resolución espacial es demasiado grande, y (2) el gran sesgo con que simulan la precipitación. Por tanto, se desarrolló un modelo para el downscaling diario de campos espaciales de precipitaciones. El modelo denominado Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorpora dos no-estacionaridades: (1) cambios en la frecuencia de los mecanismos de generación de precipitación (frontal y convectivo), y (2) no estacionaridades espaciales causadas por la interacción de patrones de circulación atmosférica (ACP) con la topografía (efecto orográfico). El SRGP se diseñó para que incorpore variables simuladas por los GCMs con sesgo reducido (ACP), así como observaciones. Estas prestaciones permiten: (1) utilizar el SRGP como un método de downscaling en el estudio del cambio climático, (2) generar campos estocásticos de precipitación condicionando a estaciones meteorológicas. Esta última función se utilizó para investigar el efecto de la variabilidad espacial de la precipitación (RSV) en la respuesta hidrogeológica en la CAG. Se constató que la RSV afecta fuertemente la respuesta hidrológica especialmente para la recarga de agua subterránea y las respuestas asociadas al acuífero. GCMs utilizados en el quinto informe del Panel Intergubernamental del Cambio Climático fueron empleados para evaluar el efecto del cambio climático. En todos los casos se consideraron las simulaciones correspondientes al periodo histórico (GCMH) y el escenario futuro de emisiones RCP8.5 (GCM-RCP8.5). El cambio climático se evaluó como el efecto acumulado en el incremento de las temperaturas, cambios en la frecuencia de los ACP y cambios en la probabilidad y volumen de lluvia. Se aplicaron transformaciones para corregir el sesgo en la temperatura, probabilidad y volumen de lluvia, mientras que se utilizó de forma directa los ACP. Se aplicó el SRGP como método de downscaling. El GCMH se utilizó para evaluar la respuesta hidrológica obtenida, introduciendo el concepto de equivalencia estocástica. Esta evaluación se basó en comparar la respuesta hidrológica obtenida al aplicar como forzantes la salida transformada (corrección del sesgo y SRGP) de los GCMH, en relación a la obtenida con observaciones. Se comprobó que no se alcanza una respuesta estocástica equivalente exacta para todas las respuestas, pero sí, reproducir variaciones estacionales.El efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación por bombeo en la CAG se realizó en dos etapas: (1) Se simuló en condiciones naturales (sin bombeo) comparando la respuesta hidrológica obtenida de aplicar como forzantes GCMH y GCM-RCP8.5. (2) con los mismos forzantes se incorporó los bombeos y se compararon las respuestas. Se determinó que el efecto del cambio climático produce una reducción de 14% y 25% en el número de días de lluvia y en el volumen de lluvia respectivamente. Mientras que un incremento del 20% en la evapotranspiración potencial. En condiciones naturales esto se traduce en una reducción del 20% para la humedad de suelo y la evapotranspiración real. En tanto que, para la recarga de agua subterránea, escurrimiento, intercambio río-acuífero y caudal en el río la reducción fue del 40%. Finalmente, el efecto conjunto de los bombeos y cambio climático, resultó en una reducción para todas las variables, siendo de un 20% tanto para la humedad del suelo y al evapotranspiración real y del 50% para la recarga. Para el las respuestas asociadas al acuífero, la reducción llega hasta el 60 %. Los resultados mostraron un incremento de la estación seca extendiéndose de Abril a Octubre.

    There is a growing concern about the combined effect of climate change and groundwater overexploitation on the availability of water resources in the Upper Guadiana basin (UppGb) in central Spain. General Circulation Models (GCMs) are used to evaluate the possible impact of climate change based on future scenarios of greenhouse gas emissions. However, the output of these models cannot be applied directly to hydrological models because their spatial resolution is coarse and because their simulated precipitation is highly biased. A stochastic downscaling method for generating daily spatial rainfall fields was developed. The model termed Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorporates two major non-stationarities -- changes in the frequencies of different precipitation generating mechanisms (frontal and convective), and spatial non-stationarities caused by the interactions of meso-scale atmospheric circulation patterns (ACP) with topography (orographic effects). SRGP was developed to incorporate good climate outputs simulated by GCMs (i.e. ACP), and actual observations. These capabilities enabled us to (1) use SRGP as a downscaling method for climate change impact study, and (2) generate stochastic rainfall fields conditioning to the information of rain gauges. The latter capability was used to investigate the effect of rainfall spatial variability (RSV) on the hydrological response in the UppGb. RSV exerted a major influence on the response of the system especially on the groundwater recharge and the aquifer related responses.GCMs considered in the fifth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change were used to evaluate the impact of climate change. The RCP8.5 future emission scenario (GCM-RCP8.5) and the GCM historical control (GCMH) were selected. The climate change was assumed to be the accumulated effects of increases in Temperature, changes in annual and climatological ACP frequency, and changes in probability and volume of rain. Transformations were applied to correct the bias in the temperature, probability and volume of rain, whereas the ACP sequences were used directly. The SRGP method was employed as a rainfall downscaling method for the GCMs. GCMH was used to evaluate the hydrological response obtained with GCMs as driving climate variables, introducing the concept of stochastic equivalence. This evaluation was based on the comparison of the hydrological response obtained with actual observations and transformed (bias correction and SRGP) GCMH. Although an exact stochastic equivalence response was not totally achieved, the seasonal variations were well captured and some response reported very good agreements. The combined effect of climate change and groundwater overexploitation in the UppGb was evaluated in two stages: (1) comparing the hydrological response of the system simulated under natural conditions (absence of pumping), using GCMH and GCM-RCP8.5 as climate driving variables. (2) Groundwater pumping was applied using the same GCM climate driving variables and again the responses were compared. Climate change led to reductions of 14% and 25% in the number of rainy days and volume of rain respectively and an increase of 20% in potential evapotranspiration. Under natural conditions because of climate change, soil moisture and the actual evapotranspiration were reduced by 20% and groundwater recharge, runoff generation, groundwater-river exchange and river discharge were reduced by 40%. As a result of the combined effects of pumping and climate change, all variables were reduced; soil moisture and actual evapotranspiration were reduced by 20% and recharge was reduced by 50%. Moreover, the aquifer related responses yielded annual average reductions of approximately 60%. In general, the results showed an increase in the dry season from April to October.

    El efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación de las aguas subterráneas podría llegar a ser crítico para la disponibilidad de recursos hídricos en la cuenca del Alto Guadiana (CAG) en el centro de España. Los modelos de circulación general del clima (GCM) son utilizados para evaluar el posible impacto del cambio climático en base a futuros escenarios de emisión de gases de efecto invernadero. No obstante, la salida de estos modelos no puede aplicarse directamente en modelos hidrológicos porque: (1) la resolución espacial es demasiado grande, y (2) el gran sesgo con que simulan la precipitación. Por tanto, se desarrolló un modelo para el downscaling diario de campos espaciales de precipitaciones. El modelo denominado Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorpora dos importantes no-estacionaridades: (1) cambios en la frecuencia de los mecanismos de generación de precipitación (frontal y convectivo), y (2) no estacionaridades espaciales causadas por la interacción de patrones de circulación atmosférica (ACP) con la topografía (efecto orográfico). El SRGP se diseñó para que incorpore variables simuladas por los GCMs con sesgo reducido (ACP), así como también observaciones. Estas prestaciones permiten: (1) utilizar el SRGP como un método de downscaling para el estudio del cambio climático, (2) poder generar múltiples realizaciones de campos de precipitación condicionando a la información de estaciones meteorológicas. Esta última función fue utilizada para investigar el efecto de la variabilidad espacial de la precipitación (RSV) en la respuesta hidrogeológica en la CAG. Se constató que la RSV afecta fuertemente la respuesta hidrológica especialmente para la recarga de agua subterránea y las respuestas asociadas al acuífero. GCMs utilizados en el quinto informe de evaluación del Panel Intergubernamental del Cambio Climático fueron empleados para evaluar el efecto del cambio climático. En todos los casos se consideraron las simulaciones correspondientes al periodo histórico (GCMH) (escenario de control) y el escenario futuro de emisiones RCP8.5 (GCM-RCP8.5). El cambio climático se evaluó como el efecto acumulado en el incremento de las temperaturas, cambios en la frecuencia climatológica anual de los ACP y cambios en la probabilidad y volumen de precipitación. Se aplicaron transformaciones para corregir el sesgo en la temperatura, probabilidad y volumen de precipitación, mientras que se utilizó de forma directa los ACP. Se aplicó el SRGP como método de downscaling de precipitaciones. El GCMH se utilizó para evaluar la respuesta hidrológica obtenida, introduciendo el concepto de equivalencia estocástica. Esta evaluación se basó en comparar la respuesta hidrológica obtenida al aplicar como forzantes la salida transformada (corrección del sesgo y SRGP) de los GCMH, en relación a la obtenida con observaciones. Se comprobó que no se alcanza una respuesta estocástica equivalente exacta para todas las respuestas, pero sí, reproducir variaciones estacionales. El efecto conjunto del cambio climático y la sobreexplotación por bombeo en la CAG se realizó en dos etapas: (1) Se simuló en condiciones naturales (sin bombeo) comparando la respuesta hidrológica obtenida de aplicar como forzantes la salida de GCMH y GCM-RCP8.5. (2) con los mismos forzantes se incorporó los bombeos y nuevamente se compararon las respuestas. Se determinó que el efecto del cambio climático produce una reducción de 14% y 25% en el número de días de lluvia y en el volumen de precipitación respectivamente. Mientras que un incremento del 20% en la evapotranspiración potencial. En condiciones naturales esto se tradujo en una reducción relativa del 20% para la humedad de suelo y la evapotranspiración real. En tanto que, para la recarga de agua subterránea, generación de escurrimiento, intercambio río-acuífero y caudal en el río la reducción fue del 40%. Finalmente, el efecto conjunto de los bombeos y cambio climático, resultó en una reducción para todas las variables, siendo la reducción relativa de un 20% tanto para la humedad del suelo y al evapotranspiración real y del 50% para la recarga. Para las respuestas asociadas al acuífero, la reducción fue del 60 %. Los resultados mostraron un incremento de la estación seca, extendiéndose de Abril a Octubre.

    L'efecte conjunt del canvi climàtic i la sobreexplotació de les aigües subterrànies podria arribar a ser crític per a la disponibilitat de recursos hídrics en la conca de l'Alt Guadiana (CAG) en el centre d'Espanya. Els models de circulació general del clima (GCM) són utilitzats per avaluar el possible impacte del canvi climàtic sobre la base de futurs escenaris d'emissió de gasos d'efecte hivernacle. No obstant això, la sortida d'aquests models no pot aplicar-se directament en models hidrològics perquè: (1) la resolució espacial és massa gran, i (2) el gran biaix amb què simulen la precipitació. Per tant, es va desenvolupar un model pel downscaling diari de camps espacials de precipitacions. El model denominat Stochastic Rainfall Generating Process (SRGP) incorpora dos importants no-estacionaritats: (1) canvis en la freqüència dels diferents mecanismes de generació de precipitació (frontal i convectivo), i (2) no estacionaritats espacials causades per la interacció de patrons de circulació atmosfèrica (ACP) amb la topografia (efecte orogràfic). El SRGP es va dissenyar perquè pugui incorporar variables simulades pels GCMs amb biaix reduït (ACP), així com també observacions. Aquestes prestacions permeten: (1) utilitzar el SRGP com un mètode de downscaling per a l'estudi del canvi climàtic, (2) poder generar múltiples realitzacions de camps de precipitació condicionant a la informació d'estacions meteorològiques. Aquesta última funció va ser utilitzada per investigar l'efecte de la variabilitat espacial de la precipitació (RSV) en la resposta hidrogeologic en la CAG. Es va constatar que la RSV afecta fortament la resposta hidrològica especialment para la recarrega d'aigua subterrània i les respostes associades a l'aqüífer. GCMs utilitzats en el cinquè informe d'avaluació del Panell Intergovernamental del Canvi Climàtic van ser emprats per avaluar l'efecte del canvi climàtic. En tots els casos es van considerar les simulacions corresponents al període històric (GCMH) (escenari de control) i l'escenari futur d'emissions RCP8.5 (GCM-RCP8.5). El canvi climàtic es va avaluar com l'efecte acumulat en l'increment de les temperatures, canvis en la freqüència climatològica anual dels ACP i canvis en la probabilitat i volum de precipitació. Es van aplicar transformacions per corregir el biaix en la temperatura, probabilitat de pluja i volum de precipitació, mentre que es va utilitzar de forma directa els ACP. Es va aplicar el SRGP com a mètode de downscaling de precipitacions. El GCMH es va utilitzar per avaluar la resposta hidrològica obtinguda amb els GCMs, introduint el concepte d'equivalència estocàstica. Aquesta avaluació es va basar a comparar la resposta hidrològica obtinguda en aplicar com forçants la sortida transformada (correcció del biaix i SRGP) dels GCMH, en relació a l'obtinguda amb observacions. Es va comprovar que no s'aconsegueix una resposta estocàstica equivalent exacta per a totes les respostes, però sí, reproduir variacions estacionals. L'efecte conjunt del canvi climàtic i la sobreexplotació per bombament en la CAG es va realitzar en dues etapes: (1) Es va simular en condicions naturals (sense bombament) comparant la resposta hidrològica obtinguda d'aplicar com forçants la sortida de GCMH i GCM-RCP8.5. (2) amb els mateixos forçants es va incorporar els bombaments i novament es van comparar les respostes. Es va determinar que l'efecte del canvi climàtic produeix una reducció de 14% i 25% en el nombre de dies de pluja i en el volum de precipitació respectivament. Mentre que un increment del 20% en la evapotranspiració potencial. En condicions naturals això es tradueix en una reducció relativa del 20% per a la humitat de sòl i la evapotranspiració real. Mentre que, per la recarrega d'aigua subterrània, generació de escolament, intercanvio riu-aqüífer i cabal en el riu la reducció va ser del 40%. Finalment, l'efecte conjunt dels bombaments i canvi climàtic, va resultar en una reducció per a totes les variables, sent la reducció relativa d'un 20% tant per a la humitat del sòl i al evapotranspiració real i del 50% para la recarrega. Pel les respostes associades a l'aqüífer, la reducció arriba fins al 60 %. Els resultats van mostrar un increment de l'estació seca estenent-se d'Abril a Octubre.

  • Anomalous Dynamics of Darcy Flow and Diffusion Through Heterogeneous Media  Open access

     Russian, Anna
    Defense's date: 2013-03-01
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Esta tesis estudia fenómenos de difusión, entre los que se incluyen el flujo a la escala de Darcy y la difusión molecular de solutos, en medios geológicos. Estos medios son heterogéneos a diferentes escalas, lo que induce complejidad en el fenómeno. El trabajo se centra en la integración de los efectos de heterogeneidad en el flujo de Darcy y la difusión de solutos en modelos a gran escala La cuantificación de los efectos de la heterogeneidad sobre los fenómenos de difusión es importante para un gran número de problemas que abarcan desde la cuantificación de la recarga de acuíferos o la interpretación de ensayos de bombeo, hasta como la difusión de sustancias químicas, necesario por ejemplo para problemas de almacenamiento de residuos en el subsuelo, o la evaluación de reacciones químicas controladas por mezcla, como las que tienen lugar en problemas de almacenamiento geológic de CO2. Adoptamos un marco estocástico para cuantificar los efectos de la heterogeneidad en los modelos a gran escala considerando do estrategias relacionadas entre sí: la de coeficientes efectivos y la dinámica. La primera consiste en la derivación de coeficientes efectivos para insertarlos en ecuaciones equivalente a un modelo homogéneo, pero aplicadas a gran escala. En el "enfoquedinámico", se realiza el opera el cambio de escala, de manera que las formulaciones a gran escala que se derivan pueden presentar una estructura diferente a las de escala local. Cuando un proceso de difusión no puede ser descrito en términos de coeficiente efectivo, este comportamiento se denomina anómalo o no-Fickiano. Los comportamientos anómalos de difusión observados experimentalmente se modelan habitualmente usando modelos fractales o modelos de caminos aleatorios. Una de las limitaciones de estos modelos es que tradicionalmente proceden de descripcionesfenomenológicas, de manera que la relación con la heterogeneidad a escala local no es clara, lo que les resta capacidad predictiva. En el enfoque dinámico derivamos descripciones a gran escala que pueden explicar el comportamiento anómalo y vincularlo con una descripción de la heterogeneidad a escala local. Para este fin, usamos diferentes métodos, dependiendo del tipo de heterogeneidad del medio. Cuando es moderada, obtenemos ecuaciones de flujo a gran escala utilizando el promedio estocástico. A partir de la ecuación de flujo clásico a escala local, obtenemos una formulación efectiva no local. La formulación eficaz, no-local, se compara con su correspondiente local. Numéricamente, se resuelve el flujo y la difusión en medios heterogéneos utilizando métodos de caminos aleatorios de partículas. Los métodos de caminos aleatorios clásicos son métodos eficientes para medios poco heterogéneos. Para medios muy heterogeneos es más eficiente aplicar el método de caminos aleatorios en el dominio temporal (conocido por sus siglas en inglés, TDRW). En este trabajo derivamos la equivalencia entre el algoritmo del TDRW y la ecuación de difusión y extendemos el método clásico del TDRW para resolver la difusión en un medio heterogéneo con mecanismos complejos de atrape múltiple. Además, utilizamos el método TDRW para obtener una formulación a gran escala. Para una determinada clase de heterogeneidad, la dinámica observada a larga escala se puede describir con un CTRW. Analíticamente derivamos la formulacion a gran escala para la difusión en muy heterogéneos mediante una representación multicontinua de los medios. Aplicando el promedio espacial y el promedio conjunto (entre realizaciones estocásticas) derivamos un modelo multicontinuo que explica el comportamiento anómalo de difusión y lo vincula con heterogeneidad local del medio.Por último, integramos el modelo multicontinuo en el contexto de la modelación de acuíferos. Derivamos un modelo de acuífero que explica el comportamiento anómalo observado en la dinamica a escala de cuenca. Se identifican los mecanismos físicos que inducen comportamiento anómalo y se determinan las escalas.

    This thesis studies diffusion phenomena in heterogeneous media, which includes Darcy flow and diffusive solute transport in geological media. Natural media are heterogeneous at different scales, which induces complexity in diffusion phenomena. The work is centered on the integration of the effects of heterogeneity on Darcy flow and solute diffusion into large scale models. The quantification of the effects of heterogeneity in diffusion phenomena is highly important for a large number of problems such as diffusion and reaction of chemicals and radionuclides in low permeability media, which is essential in subsurface hazardous waste storage problems, CO2 sequestration performance and groundwater management. In a stochastic framework we quantify the effects of heterogeneity in large scale models considering two interrelated strategies that can be called Ôcoefficient approachÕ, which deals with the derivation of effective coefficients to insert in equivalent homogeneous models, and Ôdynamic approachÕ, which deals with the upscaling of the local scale equations and the derivation of large scale formulations which can differ from their local counterparts. Whenever a diffusion process cannot be described in terms of effective coefficient, that behaviour is named anomalous or non-Fickian. Anomalous diffusion behaviours observed experimentally are frequently modelled by effective theories such as fractional diffusion equations, continuous time random walks. One limitation of these models is that often they are rather phenomenological and the relation to the local scale heterogeneity and dynamics may not be clear. In the dynamic approach we derive large scale descriptions that can explain anomalous behaviour and link it with a description of the local scale medium heterogeneity. To this end, we upscale the local scale governing equations using different methods depending on the type of medium heterogeneity. For moderately heterogeneous media we upscale flow equation by stochastic averaging. Starting from the classical flow equation at local scale determined by Darcy's law, we derive an upscaled non-local effective formulation. The non-local effective formulation is compared with its local counterpart by considering the head response for a pulse injection. Numerically, we solve flow and diffusion in heterogeneous media using particle tracking methods. While classical random walk particle tracking is an efficient numerical tool to solve for diffusion problems in moderately heterogeneous media, strong medium contrasts, as encountered in fractured media, render this method inefficient. For highly heterogeneous media efficiency of classical random walk can be increased by the use of the time domain random walk (TDRW) method. We rigorously derive the equivalence of the TDRW algorithm and the diffusion equation and we extend the classical TDRW method to solve diffusion problem in a heterogeneous medium with multi-rate mass transfer properties. Moreover we use the TDRW method in connection with a stochastic model for the heterogeneity in order to upscale heterogeneous diffusion processes. For a certain class of heterogeneity, the upscaled dynamics obey a CTRW. Analytically we upscale diffusion in highly heterogeneous media by using a multicontinuum representation of the media. Using volume and ensemble averaging we derive a multicontinuum model that can explain anomalous diffusion behavior and link it with a suitable local scale description of the medium heterogeneity. Finally, we integrate the multicontinuum model derived in the context of aquifer modelling. We derive a multicontinuum catchment model that can explain anomalous behavior observed in the aquifer dynamics at basin scale. We identify the physical mechanisms that induce anomalous behaviour and we determine the time scales that control its temporal evolution.

  • Semianalytical solution for CO2 plume shape and pressure evolution during CO2 injection in deep saline formations

     Vilarrasa Riaño, Victor; Carrera Ramirez, Jesus; Bolster, Diogo; Dentz, Marco
    Transport in porous media
    Date of publication: 2013-01-16
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    The injection of supercritical carbon dioxide (CO2) in deep saline aquifers leads to the formation of a CO2 rich phase plume that tends to float over the resident brine. As pressure builds up, CO2 density will increase because of its high compressibility. Current analytical solutions do not account for CO2 compressibility and consider a volumetric injection rate that is uniformly distributed along the whole thickness of the aquifer, which is unrealistic. Furthermore, the slope of the CO2 pressure with respect to the logarithm of distance obtained from these solutions differs from that of numerical solutions. We develop a semianalytical solution for the CO2 plume geometry and fluid pressure evolution, accounting for CO2 compressibility and buoyancy effects in the injection well, so CO2 is not uniformly injected along the aquifer thickness. We formulate the problem in terms of a CO2 potential that facilitates solution in horizontal layers, with which we discretize the aquifer. Capillary pressure is considered at the interface between the CO2 rich phase and the aqueous phase. When a prescribed CO2 mass flow rate is injected, CO2 advances initially through the top portion of the aquifer. As CO2 is being injected, the CO2 plume advances not only laterally, but also vertically downwards. However, the CO2 plume does not necessarily occupy the whole thickness of the aquifer. We found that even in the cases in which the CO2 plume reaches the bottom of the aquifer, most of the injected CO2 enters the aquifer through the layers at the top. Both CO2 plume position and fluid pressure compare well with numerical simulations. This solution permits quick evaluations of the CO2 plume position and fluid pressure distribution when injecting supercritical CO2 in a deep saline aquifer.

  • Stochastic simulation of nonstationary rainfall fields, accounting for seasonality and atmospheric circulation pattern evolution

     Sapriza Azuri, Gonzalo; Jódar Bermúdez, Jorge; Carrera Ramirez, Jesus; Gupta, Hoshin Vijai
    Mathematical geosciences
    Date of publication: 2013-07-01
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    A model for generating daily spatial correlated rainfall fields suitable for evaluating the impacts of climate change on water resources is presented. The model, termed Stochastic Rainfall Generating Process, is designed to incorporate two major nonstationarities: changes in the frequencies of different precipitation generating mechanisms (frontal and convective), and spatial nonstationarities caused by interactions of mesoscale atmospheric patterns with topography (orographic effects). These nonstationarities are approximated as discrete sets of the time-stationary Stochastic Rainfall Generating Process, each of which represents the different spatial patterns of rainfall (including its variation with topography) associated with different atmospheric circulation patterns and times of the year (seasons). Each discrete Stochastic Rainfall Generating Process generates daily correlated rainfall fields as the product of two random fields. First, the amount of rainfall is generated by a transformed Gaussian process applying sequential Gaussian simulation. Second, the delimitation of rain and no-rain areas (intermittence process) is defined by a binary random function simulated by sequential indicator simulations. To explore its applicability, the model is tested in the Upper Guadiana Basin in Spain. The result suggests that the model provides accurate reproduction of the major spatiotemporal features of rainfall needed for hydrological modeling and water resource evaluations. The results were significantly improved by incorporating spatial drift related to orographic precipitation into the model.

    A model for generating daily spatial correlated rainfall fields suitable for evaluating the impacts of climate change on water resources is presented. The model, termed Stochastic Rainfall Generating Process, is designed to incorporate two major nonstationarities: changes in the frequencies of different precipitation generating mechanisms (frontal and convective), and spatial nonstationarities caused by interactions of mesoscale atmospheric patterns with topography (orographic effects). These nonstationarities are approximated as discrete sets of the time-stationary Stochastic Rainfall Generating Process, each of which represents the different spatial patterns of rainfall (including its variation with topography) associated with different atmospheric circulation patterns and times of the year (seasons). Each discrete Stochastic Rainfall Generating Process generates daily correlated rainfall fields as the product of two random fields. First, the amount of rainfall is generated by a transformed Gaussian process applying sequential Gaussian simulation. Second, the delimitation of rain and no-rain areas (intermittence process) is defined by a binary random function simulated by sequential indicator simulations. To explore its applicability, the model is tested in the Upper Guadiana Basin in Spain. The result suggests that the model provides accurate reproduction of the major spatiotemporal features of rainfall needed for hydrological modeling and water resource evaluations. The results were significantly improved by incorporating spatial drift related to orographic precipitation into the model.

  • Interaction between groundwater and TBM (Tunnel Boring Machine) excavated tunnels  Open access

     Font Capo, Jordi
    Defense's date: 2012-09-26
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    A number of problems, e.g. sudden inflows are encountered during tunneling under the piezometric level, especially when the excavation crosses high transmissivity areas. These inflows may drag materials when the tunnel crosses low competent layers, resulting in subsidence, chimney formation and collapses. Moreover, inflows can lead to a decrease in head level because of aquifer drainage. Tunnels can be drilled by a tunnel boring machine (TBM) to minimize inflows and groundwater impacts, restricting the effect on the tunnel face. This method is especially suitable for urban tunneling where the works are usually undertaken near the ground surface. The aim of the thesis is to elucidate the tunneling difficulties arising from hydrogeology, and to determine groundwater impacts. The following approaches were adopted to achieve these objectives. First, a methodology that characterizes hydrogeologically the medium crossed by the TBM is proposed. Two important aspects that are often overlooked are: variable groundwater behavior of faults (conduit, barrier, conduit-barrier), and role of groundwater connectivity between fractures that cross the tunnel and the rest of the rock massif. These two aspects should be taken into account in the geological and groundwater characterization to correct the tunnel design and minimize hazards. A geological study and a preliminary hydrogeological characterization were carried out in a granitic sector during the construction of Line 9 of the Barcelona subway (B-20 area). The hydrogeological conceptual model was constructed using a quasi-3D numerical model, and different scenarios were calibrated. Faults and dikes show a conduit-barrier behavior, which partially compartmentalized the groundwater flow. The barrier behavior, which is the most marked effect, is more prominent in faults, whereas conduit behavior is more notable in dikes. The characterization of groundwater media entailed a dewatering plan and changes in the tunnel course. Second, a methodology to locate and quantify the inflows in the tunnel face of the TBM was adopted. Unexpected high water inflows constitute a major problem because they may result in the collapse of the tunnel face and affect surface structures. Such collapses interrupted boring tasks and led to costly delays during the construction of the Santa Coloma Sector of L9 (Line 9) of the Barcelona Subway. A method for predicting groundwater inflows at tunnel face scale was implemented. A detailed 3D geological and geophysical characterization of the area was performed and a quasi-3D numerical model with a moving tunnel face boundary condition was built to simulate tunnel aquifer interaction. The model correctly predicts groundwater head variations and the magnitude of tunnel inflows concentrated at the crossing of faults and some dikes. Adaptation of the model scale to that of the tunnel and proper accounting for connectivity with the rest of the rock massif was crucial for quantifying the inflows. This method enables us to locate the hazardous areas where dewatering could be implemented. Third, the hydrogeological impacts caused by tunneling with TBM were characterized. The lining in tunnels reduces water seepage but could cause a barrier effect because of aquifer obstruction. Analytical methods were employed to calculate the gradient and permeability variation after tunnelling. The uses of pumping tests allow determinate the barrier effect and the changes in groundwater connectivity due to tunnelling. These approaches were adopted to help overcome the main hydrogeological problems encountered during the construction of tunnels with the TBM. Numerical models proved useful in quantifying and forecasting tunnel water inflows and head variations caused by tunnelling. A better understanding of these scenarios enabled us to find the correct solutions and to minimize the consequences of tunnel-groundwater interaction.

    La construcción de túneles bajo el nivel piezométrico puede comportar problemas constructivos cuando la excavación atraviese zonas muy transmisivas donde puede haber entradas repentinas de agua. Estas entradas pueden generar arrastres cuando se crucen capas muy poco competentes, llegando a provocar hundimientos, creación de chimeneas subsidencia del terreno. Además estas entradas de agua pueden provocar el descenso del nivel freático por drenaje del acuífero. Para minimizar las entradas de agua y los impactos asociados a la excavación se realizan perforaciones con tuneladoras (TBM) que restringen las afectaciones por drenaje al frente de perforación. Este método es especialmente adecuado en medios urbanos donde el túnel se sitúa cerca de la superficie. El objetivo de esta tesis será abordar las dificultades constructivas relacionadas con la hidrogeología que existen al construir túneles con tuneladora así como determinar los impactos que estas pueden producir. En primer lugar, se busca una metodología que permita caracterizar hidrogeológicamente el terreno que será atravesado por la tuneladora ya que esta maquinaria es sensible a los cambios repentinos de medio y condiciones de terreno. Hay dos aspectos que normalmente no se tienen en cuenta: el comportamiento hidrogeológico de las fallas (conducto, barrera, conducto-barrera) y la importancia de la conectividad hidrogeológica entre las fracturas que cruzadas por el túnel y el resto del macizo rocoso. Estos dos aspectos han sido tenidos en cuenta en la caracterización geológica e hidrogeológica con el fin de corregir el diseño del túnel y minimizar riesgos geológicos. Una investigación geológica con caracterización hidrogeológica preliminar (que incluyó la revisión del estado hidrogeológico previo y ensayos de bombeo de interferencia) fue realizada en una zona granítica de la Línea 9 del metro de Barcelona (zona de la B-20). El modelo hidrogeológico conceptual fue construido usando un modelo numérico quasi-3D, donde fueron calibrados diverso escenarios. Las fallas y diques mostraron un comportamiento de conductobarrera que compartimentaliza parcialmente el flujo. El comportamiento de barrera es el efecto mas marcado, aunque en los diques aparece comportamiento de conducto. La caracterización del medio hidrogeológico ha permitido realizar un plan de drenaje y los cambios necesarios en el diseño del túnel. En segundo lugar, se busca una metodología que permita localizar y cuantificar las entradas de agua que pueda haber en el frente de excavación de un túnel construido con tuneladora. Entradas de agua repentinas constituyen un problema importante porque pueden provocar un colapso del túnel que afecte estructuras superficiales. Un método para predecir las entradas de agua en el frente de túnel fue implementado en el sector de Santa Coloma de la Línea 9 del metro de Barcelona. Una caracterización geológica y geofísica 3D del área fue realizada y los resultados fueron implementados en un modelo numérico quasi-3D, donde una condición de contorno de frente de túnel móvil se ha insertado para simular la interacción con el acuífero. El modelo predice correctamente la variación de los niveles piezométricos y la magnitud de las entradas de agua concentrados en las zonas de falla y diques. La adaptación de la escala del modelo al túnel y a la conectividad con el resto del macizo ha sido crucial para cuantificar las entradas de agua. Este método permite localizar las zonas peligrosas donde el dewatering debería ser implementado. En tercer lugar, se caracterizan los impactos que provoca la construcción de un túnel construido con tuneladora. Aunque el efecto dren que suelen producir la mayoría de túneles es minimizado en los túneles perforados con tuneladora con el sostenimiento que se instala después de la acción perforadora de la maquina, la construcción de esta estructura lineal impermeable puede producir una obstrucción del acuífero o efecto barrera. Se cuantifica la variación de gradientes piezométricos antes y después de la construcción de un túnel, esto se realizará con el uso de métodos analíticos que comparen los cambios reales observados. Además se cuantificaran los cambios de conectividad que provoca la construcción de un túnel comparando la variación de comportamiento observada en una serie de ensayos de bombeo realzados antes y después de la construcción de l túnel. Todos estos enfoques permiten abordar los principales problemas hidrogeológicos que se encontraran los túneles construidos con tuneladora así como los impactos que provocan. El uso de modelos numéricos se convierte en una herramienta robusta para cuantificar y predecir las entradas de agua en el frente de túnel y las variaciones de nivel provocadas por el mismo túnel. El conocimiento de estos escenarios permitirá encontrar las mejores soluciones para minimizar las consecuencias de la acción del medio hidrogeológico sobre el túnel o viceversa.

    La construcció de túnels sota el nivell piezomètric pot comportar problemes constructius quan l’excavació travessi zones molt transmissives on pot haver-hi entrades sobtades d’aigua . Aquestes entrades poden arrossegar materials quan es creuin capes poc competents, arribant a provocar enfonsaments, xemeneies I subsidència del terreny. D’altra banda aquestes entrades d’aigua poden provocar el descens del nivell d’aigua per drenatge de l’aqüífer. Per minimitzar les entrades d’aigua I els impactes associats a la excavació es perforen túnels amb tuneladores (TBM) que restringeixen les afeccions per drenatge al front de perforació. Aquest mètode es especialment adequat en medis urbans on el túnel es proper a la superfície. L’objectiu d’aquesta tesi serà abordar les dificultats constructives relacionades amb la hidrogeologia que existeixen al construir túnels amb tuneladora així com determinar els impactes que aquestes poden produir. En primer lloc, es busca una metodologia que permeti caracteritzar hidrogeològicament el terreny que ha de travessar la tuneladora ja que aquestes són sensibles als canvis sobtats de medi i condicions de terreny. Hi ha dos aspectes important que normalment no son tinguts en compte: El comportament hidrogeològic de les falles (conducte, barrera, conducte-barrera) i la importància de la connectivitat hidrogeològica entre les fractures que son creuades pel túnel y la resta del massís rocós. Aquests dos aspectes han estat tinguda en compte en la caracterització geològica i hidrogeològica amb el fi de corregir el disseny del túnel i minimitzar riscos geològics. Una investigació geològica amb caracterització hidrogeològica preliminar (que va incloure la revisió de l’estat hidrogeològic previ i assaigs de bombeig d’interferència) va ser realitzada en una zona granítica de la Línia 9 del metro de Barcelona (zona de la B-20). El model hidrogeològic conceptual va ser construït fent servir un model numèric quasi-3D, on van ser calibrats diferents escenaris. Les falles i els dics van mostrar un comportament de conducte barrera que compartimentalitza el flux parcialment. El comportament de barrera es l’efecte mes marcat i es mentre que en els dics apareix el comportament de conducte. La caracterització del medi hidrogeològic ha permès realitzar un pla de drenatge i els canvis necessaris en el disseny del túnel. En segon lloc, es troba una metodologia que permeti trobar el lloc i quantificar les entrades d’aigua que hi pot haver en el front d’excavació d’un túnel construït amb tuneladora. Les entrades d’aigua sobtades en el túnel constitueixen un problema important perquè poden provocar un col·lapse del túnel que afecti a les estructures superficials. Un mètode per predir les entrades d’aigua en el front de túnel ha estat implementat en el sector de Santa Coloma de la Línia 9 del metro de Barcelona. Per aconseguir-ho es va realitzar una caracterització geològica i geofísica 3D, aquests resultats van ser implementats en un model numèric quasi-3D, on una condició de contorn de front de túnel mòbil ha estat inserida per simular la iteració amb l’aqüífer. El model prediu correctament la variació de nivells piezomètrics i la magnitud de les entrades d’aigua concentrades en les zones de falla i dics. L’adaptació de l’escala del model al túnel i a la connectivitat amb la resta del massís han estat clau per poder quantificar les entrades d’aigua. Aquest mètode permet localitzar les zones perilloses on el dewatering hauria de ser implementat. En tercer lloc, es caracteritzen els impactes hidrogeològics que provoca la construcció d’un túnel construït amb tuneladora. Malgrat que l’efecte dren que acostumen a originar la majoria de túnels es minimitza per l’acció del sosteniment que s’instal·la just després de la maquina, la construcció d’aquesta estructura lineal impermeable pot produir una obstrucció de l’aqüífer o efecte barrera. Es quantifica la variació de gradient abans i desprès de la construcció d’un túnel, això es farà amb mètodes analítics que es comparen amb el canvi de gradient observat. A mes a mes es quantifiquen els canvis de connectivitat que provoca la construcció del túnel comparant la variació de comportament observada en una sèrie d’assaigs de bombeigs realitzats abans i després de la construcció del túnel. Tots aquests enfocaments permeten abordar els principals problemes hidrogeològics que es trobaran els túnels construïts amb tuneladora així com els impactes que provoquen. L’ús de models numèrics esdevé una eina robusta per poder quantificar i predir les entrades d’aigua en el front del túnel i les variacions de nivell provocades pel mateix túnel. El coneixement d’aquests escenaris permetrà trobar les solucions adients o minimitzar les conseqüències de l’acció de medi hidrogeològic sobre el túnel o a l’inrevés.

  • Thermo-Hydro-Mechanical Impacts of Carbon Dioxide (CO2) Injection in Deep Saline Aquifers.  Open access

     Vilarrasa Riaño, Victor
    Defense's date: 2012-07-20
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Los procesos termo-hidro-mecánicos relacionados con el almacenamiento geológico de carbono deben ser entendidos y cuantificados para demostrar a la opinión pública de que la inyección de dióxido de carbono (CO2) es segura. Esta Tesis tiene como objetivo mejorar dicho conocimiento mediante el desarrollo de métodos para: (1) evaluar la evolución tanto de la geometría de la pluma de CO2 como de la presión de los fluidos; (2) definir un ensayo de campo que permita caracterizar la presión de inyección máxima sostenible y los parámetros hidromecánicos de las rocas sello y almacén; y (3) proponer un nuevo concepto de inyección que es energéticamente eficiente y que mejora la estabilidad de la roca sello en la mayoría de escenarios geológicos debido a efectos termo-mecánicos. modelo viscoplástico. Las simulaciones ilustran que, dependiendo de las condiciones de contorno, el momento más desfavorable ocurre al inicio de la inyección. Sin embargo, si los contornos son poco permeables, la presión de fluido continúa aumentando en todo el acuífero, lo que podría llegar a comprometer la estabilidad de la roca sello a largo plazo. Para evaluar dichos problemas, proponemos un ensayo de caracterización hidromecánica a escala de campo para estimar las propiedades hidromecánicas de las rocas sello y almacén. Obtenemos curvas para la sobrepresión y el desplazamiento vertical en función del término de la deformación volumétrica obtenido del análisis adimensional de las ecuaciones hidromecánicas. Ajustando las medidas de campo a estas curvas se pueden estimar los valores del módulo de Young y el coeficiente de Poisson del acuífero y del sello. Los resultados indican que la microsismicidad inducida tiene más probabilidades de ocurrir en el acuífero que en el sello. El inicio de la microsismicidad en el sello marca la presión de inyección máxima sostenible para asegurar un almacenamiento permanente de CO2 seguro. Finalmente, analizamos la evolución termodinámica del CO2 y la respuesta termohidro- mecánica de las rocas sello y almacén a la inyección de CO2 líquido (frío). Encontramos que inyectar CO2 en estado líquido es energéticamente más eficiente porque al ser más denso que el CO2 supercrítico, requiere menor presión en cabeza de pozo para una presión dad en el acuífero. De hecho, esta presión también es menor en el almacén porque se desplaza un volumen menor de fluido. La disminución de temperatura en el entorno del pozo induce una reducción de tensiones debido a la contracción térmica del medio. Esto puede producir deslizamiento de fracturas existentes en acuíferos formados por rocas rígidas bajo contrastes de temperatura grandes, lo que podría incrementar la inyectividad de la roca almacén. Por otro lado, la estabilidad mecánica de la roca sello mejora cuando la tensión principal máxima es la vertical. Primero, investigamos numérica y analíticamente los efectos de la variabilidad de la densidad y viscosidad del CO2 en la posición de la interfaz entre la fase rica en CO2 y la salmuera de la formación. Introducimos una corrección para tener en cuenta dicha variabilidad en las soluciones analíticas actuales. Encontramos que el error producido en la posición de la interfaz al despreciar la compresibilidad del CO2 es relativamente pequeño cuando dominan las fuerzas viscosas. Sin embargo, puede ser significativo cuando dominan las fuerzas de gravedad, lo que ocurre para tiempos y/o distancias largas de inyección. Segundo, desarrollamos una solución semianalítica para la evolución de la geometría de la pluma de CO2 y la presión de fluido, teniendo en cuenta tanto la compresibilidad del CO2 como los efectos de flotación dentro del pozo. Formulamos el problema en términos de un potencial de CO2 que facilita la solución en capas horizontales, en las que hemos discretizado el acuífero. El CO2 avanza inicialmente por la porción superior del acuífero. Pero a medida que aumenta la presión de CO2, la pluma crece no solo lateralmente, sino también hacia abajo, aunque no tiene porqué llegar a ocupar todo el espesor del acuífero. Tanto la interfaz CO2-salmuera como la presión de fluido muestran una buena comparación con las simulaciones numéricas. En tercer lugar, estudiamos posibles mecanismos de rotura, que podrían llegar a producir fugas de CO2, en un sistema acuífero-sello con simetría radial, utilizando un

    Els processos termo-hidro-mecànics relacionats amb l’emmagatzematge geològic de carboni han de ser entesos i quantificats per tal de demostrar a l’opinió pública de que la injecció de diòxid de carboni (CO2) és segura. Aquesta Tesi té com a objectiu millorar aquest coneixement mitjançant el desenvolupament de mètodes per a: (1) avaluar l'evolució tant de la geometria del plomall de CO2 com de la pressió dels fluids; (2) definir un assaig de camp que permeti caracteritzar la pressió d'injecció màxima sostenible i els paràmetres hidromecànics de les roques segell i magatzem; i (3) proposar un nou concepte d'injecció que és energèticament eficient i que millora l'estabilitat de la roca segell en la majoria d’escenaris geològics a causa d'efectes termo-mecànics. Primer, investiguem numèricament i analítica els efectes de la variabilitat de la densitat i viscositat del CO2 en la posició de la interfície entre la fase rica en CO2 i la salmorra de la formació. Introduïm una correcció per tal de tenir en compte aquesta variabilitat en les solucions analítiques actuals. Trobem que l'error produït en la posició de la interfície en menysprear la compressibilitat del CO2 és relativament petit quan dominen les forces viscoses. Malgrat això, l’error pot ser significatiu quan dominen les forces de gravetat, la qual cosa té lloc per a temps i/o distàncies llargues d'injecció. Segon, desenvolupem una solució semianalítica per a l'evolució de la geometria del plomall de CO2 i la pressió de fluid, tenint en compte tant la compressibilitat del CO2 com els efectes de flotació dins del pou. Formulem el problema en termes d'un potencial de CO2 que facilita la solució en capes horitzontals, en les quals hem discretitzat l'aqüífer. El CO2 avança inicialment per la porció superior de l'aqüífer. Però a mesura que augmenta la pressió de CO2, el plomall de CO2 no només creix lateralment, sinó que també ho fa cap avall, encara que no té perquè arribar a ocupar tot el gruix de l'aqüífer. Tant la interfície CO2-salmorra com la pressió de fluid mostren una bona comparació amb les simulacions numèriques. En tercer lloc, estudiem possibles mecanismes de trencament, que podrien arribar a produir fugues de CO2, en un sistema aqüífer-segell amb simetria radial, utilitzant un model viscoplàstic. Les simulacions il·lustren que, depenent de les condicions de contorn, el moment més desfavorable té lloc a l'inici de la injecció. Tot i això, si els contorns són poc permeables, la pressió de fluid continua augmentant en tot l'aqüífer, la qual cosa podria arribar a comprometre l'estabilitat de la roca segell a llarg termini. Per a avaluar aquests problemes, proposem un assaig de caracterització hidromecànica a escala de camp per a estimar les propietats hidromecàniques de les roques segell i magatzem. Obtenim corbes per a la sobrepressió i el desplaçament vertical en funció del terme de la deformació volumètrica obtingut de l'anàlisi adimensional de les equacions hidromecàniques. Ajustant les mesures de camp a aquestes corbes es poden estimar els valors del mòdul de Young i el coeficient de Poisson de l'aqüífer i del segell. Els resultats indiquen que la microsismicitat induïda té més probabilitats d'ocórrer en l'aqüífer que en el segell. L'inici de la microsismicitat en el segell marca la pressió d'injecció màxima sostenible per tal d’assegurar un emmagatzematge permanent de CO2 segur. Finalment, analitzem l'evolució termodinàmica del CO2 i la resposta termo-hidromecànica de les roques segell i magatzem a la injecció de CO2 líquid (fred). Trobem que injectar CO2 en estat líquid és energèticament més eficient perquè al ser més dens que el CO2 supercrític, requereix una pressió menor al cap de pou per a una pressió donada a l’aqüífer. De fet, aquesta pressió també és menor a l’aqüífer perquè es desplaça un volum menor de fluid. La disminució de temperatura a l'entorn del pou indueix una reducció de tensions a causa de la contracció tèrmica del medi. Això pot produir lliscament de fractures existents en aqüífers formats per roques rígides sota contrastos de temperatura grans, la qual cosa podria incrementar la injectivitat de la roca magatzem. D’altra banda, l'estabilitat mecànica de la roca segell millora quan la tensió principal màxima és la vertical.

    Coupled thermo-hydro-mechanical (THM) effects related to geologic carbon storage should be understood and quantified in order to convince the public that carbon dioxide (CO2) injection is safe. This Thesis aims to improve such understanding by developing methods to: evaluate the CO2 plume geometry and fluid pressure evolution; define a field test to characterize the maximum sustainable injection pressure and the hydromechanical (HM) properties of the aquifer and the caprock; and propose an energy efficient injection concept that improves the caprock mechanical stability in most geological settings due to thermo-mechanical effects. First, we investigate numerically and analytically the effect of CO2 density and viscosity variability on the position of the interface between the CO2-rich phase and the formation brine. We introduce a correction to account for this variability in current analytical solutions. We find that the error in the interface position caused by neglecting CO2 compressibility is relatively small when viscous forces dominate. However, it can become significant when gravity forces dominate, which is likely to occur at late times and/or far from the injection well. Second, we develop a semianalytical solution for the CO2 plume geometry and fluid pressure evolution, accounting for CO2 compressibility and buoyancy effects in the injection well. We formulate the problem in terms of a CO2 potential that facilitates solution in horizontal layers, in which we discretize the aquifer. We find that when a prescribed CO2 mass flow rate is injected, CO2 advances initially through the top portion of the aquifer. As CO2 pressure builds up, CO2 advances not only laterally, but also vertically downwards. However, the CO2 plume does not necessarily occupy the whole thickness of the aquifer. Both CO2 plume position and fluid pressure compare well with numerical simulations. Third, we study potential failure mechanisms, which could lead to CO2 leakage, in an axysimmetric horizontal aquifercaprock system, using a viscoplastic approach. Simulations illustrate that, depending on boundary conditions, the least favorable situation may occur at the beginning of injection. However, in the presence of low-permeability boundaries, fluid pressure continues to rise in the whole aquifer, which may compromise the caprock integrity in the long-term. Next, we propose a HM characterization test to estimate the HM properties of the aquifer and caprock at the field scale. We obtain curves for overpressure and vertical displacement as a function of the volumetric strain term obtained from a dimensional analysis of the HM equations. We can then estimate the values of the Young¿s modulus and the Poisson ratio of the aquifer and the caprock by introducing field measurements in these plots. Results indicate that induced microseismicity is more likely to occur in the aquifer than in the caprock. The onset of microseismicity in the caprock can be used to define the maximum sustainable injection pressure to ensure a safe permanent CO2 storage. Finally, we analyze the thermodynamic evolution of CO2 and the THM response of the formation and the caprock to liquid (cold) CO2 injection. We find that injecting CO2 in liquid state is energetically more efficient than in supercritical state because liquid CO2 is denser than supercritical CO2. Thus, the pressure required at the wellhead is much lower for liquid than for gas or supercritical injection. In fact, the overpressure required at the aquifer is also smaller because a smaller fluid volume is displaced. The temperature decrease close to the injection well induces a stress reduction due to thermal contraction of the media. This can lead to shear slip of pre-existing fractures in the aquifer for large temperature contrasts in stiff rocks, which could enhance injectivity. In contrast, the mechanical stability of the caprock is improved in stress regimes where the maximum principal stress is the vertical.

  • MODELLING OF POST-CLOSURE BEHAVIOUR FOR MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILLS: SETTLEMENT AND SLOPE STABILITY

     Yu, Li
    Defense's date: 2011-07-08
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Simplified Approaches to Deal With the Complexities of Seawater Intrusion

     Pool Ramirez, Maria
    Defense's date: 2011-12-22
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Effect of redox conditions on the fate of emergin organic micropollutants during artificial recharge of groundwater: batch experiment  Open access

     Barbieri, Manuela
    Defense's date: 2011-07-22
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    La recarrega artificial de les aigües subterrànies consisteix en infiltrar aigua als aqüífers per mitjà de les instal·lacions dissenyades per a tal fi i representa una eina important en la gestió dels recursos. A més de l’augment dels recursos d'aigües subterrànies, la recàrrega pot suposar una millora natural de la seva qualitat durant el seu pas pel subsòl. Els processos que tenen lloc en el sistema sòl-aqüífer (filtració, adsorció, reaccions de mescla , redox, biodegradació, etc) han demostrat produir una millora integral de la qualitat de l'aigua, eliminant també de manera efectiva una sèrie de contaminants orgànics. En l'actualitat, la qüestió és saber si la contaminació pels microcontaminants orgànics emergents, és a dir, productes farmacèutics, cosmètics, hormones, drogues il·lícites, pesticides i tensioactius, també es poden atenuar de forma natural. Alguns d’aquests compostos no són completament eliminats pels tractaments d'aigua residual convencionals, essent introduïts contínuament en els cursos d’aigua superficials pels efluents de les plantes de tractament. Malgrat la baixa concentració (ng/L i μg/L), la seva presència en el medi ambient és actualment un problema per a la vida aquàtica i la salut humana. En aquest context, la recàrrega artificial pot esdevenir una alternativa potencial o un tractament complementari per a l'eliminació de microcontaminants orgànics de l’aigua. Hi ha evidències que les condicions redox predominants podrien influir en el comportament d’aquests productes en l'aqüífer. No obstant, en el cas dels microcontaminants emergents, el coneixement sobre aquest tema és encara molt limitat. L’objectiu principal d’aquesta tesi és doncs investigar el possible efecte de les condicions redox sobre el destí de microcontaminants orgànics, la majoria dels quals són contaminants emergents. El treball està motivat pels projectes de recàrrega artificial amb aigua del riu Llobregat (Barcelona, Espanya). L’estudi es basa en experiments de laboratori (batch) utilitzant materials naturals de l'aqüífer, microcontaminants en concentracions ambientals (1 μg/L de cada compost), i unes condicions ambientals similars als llocs de recàrrega artificial. Afegint les quantitats adequades d’acceptors i donadors d’electrons s’han obtingut i mantingut les diferents condicions redox anaeròbies en cada conjunt de microcosmos. Els experiments inclouen sèries biòtiques i abiòtiques per separar la biodegradació de contaminants de l’adsorció a la superfície dels sòlids i altres processos abiòtics. També s’ha dut a terme un experiment amb una major concentració de contaminants (1 mg/L de cada compost), per comprovar la representativitat dels estudis convencionals. Els objectius finals del treball són: 1) identificar les condicions redox més favorables per eliminar de l'aigua els compostos seleccionats, a fi de ser promogudes en l’assaig de camp; i 2) mesurar les velocitats de les reaccions de degradació per tal de preveure el comportament dels micrcontaminants en el aqüífer.

    La recarga artificial de acuíferos, que consiste en la infiltración de agua subterránea en instalaciones diseñadas para tal fin, constituye una importante herramienta en la gestión de recursos hídricos. Más allá de aumentar los recursos de aguas subterráneas, suscita gran interés la capacidad de tratamiento natural que confiere el tránsito sub-superficial a las aguas. Los procesos que tienen lugar en el sistema suelo-acuífero (filtración, adsorción, mezcla, reacciones redox, biodegradación, etc.) permiten una mejora general de la calidad del agua, eliminando incluso diversos contaminantes orgánicos. En la actualidad, el reto es entender si los microcontaminantes orgánicos emergentes, es decir farmacéuticos, productos de cuidado personal, hormonas, drogas ilícitas, plaguicidas y tensioactivos, puedan también ser atenuados. Muchos de ellos no son completamente eliminados en tratamientos de agua convencionales, siendo introducidos constantemente en aguas superficiales por los efluentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales. A pesar de sus baja concentraciones (ng/L and μg/L), su omnipresencia en el medioambiente es actualmente causa de preocupación para la vida acuática y la salud humana. En este contexto, la recarga artificial puede representar un tratamiento alternativo o complementario para la eliminación de microcontaminantes orgánicos de las aguas. Hay evidencias de que las condiciones redox dominantes pueden influenciar el comportamiento de contaminantes orgánicos convencionales en los acuíferos. Sin embargo, en el caso de los microcontaminantes emergentes los conocimientos sobre este tema es todavía limitado. El principal objetivo de esta tesis, motivada por proyectos de recarga artificial con aguas del río Llobregat (Barcelona, España), es investigar el efecto potencial de las condiciones redox sobre el comportamiento de microcontaminantes orgánicos seleccionados (la mayoría de los cuales son contaminantes emergentes) durante la recarga artificial. El estudio se basa en experimentos batch de laboratorio usando material natural del acuífero, microcontaminantes en concentraciones ambientales (1 μg/L cada compuesto), y condiciones verosímiles en enclaves de recarga artificial. Añadiendo cantidades adecuadas de aceptadores y donadores de electrones, fueron establecidas y se mantuvieron diferentes condiciones redox anaeróbicas (condiciones nitrato-, manganeso-, hierro- y sulfato-reductoras) en cada grupo de microcosmos. Se llevaron a cabo series bióticas y abióticas para separar la biodegradación de los contaminantes (mineralización biótica o transformación) de los procesos de adsorción y de otros procesos abióticos. También fue realizado un experimento para alta concentración de contaminantes (1 mg/L cada compuesto), para comprobar la representatividad de los estudios convencionales. El objetivo final de este trabajo es identificar 1) las condiciones redox más favorables para la eliminación del agua de los contaminantes seleccionados, para su posterior simulación en el sitio piloto, y 2) las tasas de eliminación de esos contaminantes, para predecir sus comportamientos en el acuífero.

    Artificial recharge of groundwater, consisting in infiltrating water into aquifers by means of properly designed facilities, represents an important tool in water resources management. Beside its quantitative benefits (augmentation of groundwater resources, long term underground storage, etc.), a great interest for this technique is related to the natural treatment provided to water by subsurface passage. The processes occurring in the soil-aquifer system (filtration, sorption, mixing, redox reactions, biodegradation, etc.) have indeed proven to yield an overall improvement of water quality, removing effectively also a number of organic contaminants. At present time, the issue is to understand whether emerging organic micropollutants, i.e. pharmaceuticals, personal care products, hormones, illicit drugs, pesticides and surfactants, can also be removed. A number of these compounds are not completely removed by conventional water treatments, being thus introduced continuously into surface water bodies by the discharge of wastewater treatment plants effluents. In spite of their low concentration (ng/L and μg/L), their ubiquitous presence in the environment is currently a cause of concern for aquatic life and human health. In this context, artificial recharge may represent a potential alternative or complementary treatment for the removal of organic micropollutants from water. Evidences showed that, among the factors influencing the fate of conventional organic contaminants in the aquifer, the predominant redox conditions could play an important role. Yet, in the case of emerging micropollutants the knowledge on this topic is still limited. The main objective of this thesis, motivated by artificial recharge practices using Llobregat river water (Barcelona, Spain), is to investigate on the potential effect of redox conditions on the fate of selected organic micropollutants, most of them being emerging contaminants, during artificial recharge of groundwater. The study is based on batch experiments involving natural aquifer material, micropollutants at environmental concentrations (1 μg/L each compound), and settings feasible at artificial recharge sites. Different anaerobic redox conditions (namely, nitrate-, manganese-, iron- and sulphate-reducing conditions) were promoted and sustained in each set of microcosms by adding adequate quantities of electron donors and acceptors. The experiments included biotic and abiotic series to separate contaminant’s biodegradation (i.e. biotic mineralization or transformation) from sorption and other abiotic processes. An experiment at higher pollutants concentration (1mg/L each compound) was also carried out, to check the representativeness of studies at concentrations easier to be tested and analysed. The ultimate aim of the work is to identify 1) the most favourable redox conditions for the removal of the target compounds from water, for their following stimulation in the field test site, and 2) pollutants’ removal rates, to predict their behaviour in the aquifer.

  • Access to the full text
    Geomechanical stability of the caprock during CO2 sequestration in deep saline aquifers  Open access

     Vilarrasa Riaño, Victor; Olivella Pastalle, Sebastian; Carrera Ramirez, Jesus
    Energy procedia
    Date of publication: 2011
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Sequestration of carbon dioxide (CO2) in deep saline aquifers has emerged as a mitigation strategy for reducing greenhouse gas emissions to the atmosphere. The large amounts of supercritical CO2 that need to be injected into deep saline aquifers may cause large fluid pressure buildup. The resulting overpressure will produce changes in the effective stress field. This will deform the rock and may promote reactivation of sealed fractures or the creation of new ones in the caprock seal, which could lead to escape paths for CO2. To understand these coupled hydromechanical phenomena, we model an axisymmetric horizontal aquifer-caprock system. We study plastic strain propagation patterns using a viscoplastic approach. Simulations illustrate that plastic strain may propagate through the whole thickness of the caprock if horizontal stress is lower than vertical stress. In contrast, plastic strain concentrates in the contact between the aquifer and the caprock if horizontal stress is larger than vertical stress. Aquifers that present a low-permeability boundary experience an additional fluid pressure increase once the pressure buildup cone reaches the outer boundary. However, fluid pressure does not evolve uniformly in the aquifer. While it increases in the low-permeability boundary, it drops in the vicinity of the injection well because of the lower viscosity of CO2. Thus, caprock stability does not get worse in semi-closed aquifers compared to open aquifers. Overall, the caprock acts as a plate that bends because of pressure buildup, producing a horizontal extension of the upper part of the caprock. This implies a vertical compression of this zone, which may produce settlements instead of uplift in low-permeability (k≤10-18 m2) caprocks at early times of injection.

  • A methodology for characterizing the hydraulic effectiveness of an annular low-permeability barrier

     Vilarrasa Riaño, Victor; Carrera Ramirez, Jesus; Jurado Elices, Anna; Pujades Garnes, Estanislao; Vázquez Suñé, Enric
    Engineering geology
    Date of publication: 2011-06
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Access to the full text
    CO2 injection in deep saline sloping aquifers through a vertical well  Open access

     Vilarrasa Riaño, Victor; Olivella Pastalle, Sebastian; Carrera Ramirez, Jesus
    Workshop of CODE-BRIGHT Users
    Presentation's date: 2011
    Presentation of work at congresses

    Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Coupled hydromechanical processes during CO2 sequestration in deep saline aquifers

     Vilarrasa Riaño, Victor; Olivella Pastalle, Sebastian; Carrera Ramirez, Jesus
    International Conference on Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering
    Presentation's date: 2011-06-20
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Effects of CO2 Compressibility on CO2 Storage in Deep Saline Aquifers

     Vilarrasa, Víctor; Bolster, Diogo; Dentz, Marco; Olivella Pastalle, Sebastian; Carrera Ramirez, Jesus
    Transport in porous media
    Date of publication: 2010
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Compositional formulation for multi phase flow reactive transport in porous media: an approach that simplifies coupling between phenomena  Open access

     Gamazo Rusnac, Pablo Andres; Saaltink, Maarten Willem; Carrera Ramirez, Jesus
    International Conference on Computational Methods in Water Resources
    Presentation's date: 2010-06-21
    Presentation of work at congresses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    In this work we discuss coupling difficulties that arises when solving phase and species conservation equations. We present a compositional formulation that avoids these difficulties, and allows solving multiphase reactive transport problems for a generic number of species and reactions. The formulation is illustrated by an example.

  • Multiphase flow and reactive transport model under very dry conditions

     Gran Esforzado, Meritxell; Carrera Ramirez, Jesus; Olivella Pastalle, Sebastian; MASSANA, JORDI; Saaltink, Maarten Willem; Ayora Ibáñez, Carlos; Lloret Morancho, Antonio
    International Conference on Computational Methods in Water Resources
    Presentation's date: 2010-06-21
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Modeling the evolution of redox state in laboratory experiments performed

     Barbieri, Manuela; Carrera Ramirez, Jesus; Ayora Ibáñez, Carlos; Saaltink, Maarten Willem; Valhondo Gonzalez, Cristina; Wang, Hui; Jurado Elices, Anna; De Gaspari, Francesca; Tobella Brunet, Joana; Hernández García, Marta
    International Conference on Computational Methods in Water Resources
    Presentation's date: 2010-06-21
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Spreading of multiphase flows in heterogeneous porous media under the influence of buoyancy

     Bolster, Diogo; Neuweiler, Insa; Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus
    International Conference on Computational Methods in Water Resources
    Presentation's date: 2010-06-21
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Consequences of pore scale velocity correlation and non Gaussian distributions for upscaling effective transport properties in heterogeneous porous media

     Le Borgne, Tanguy; Bolster, Diogo; Tartakovsky, Alexander; Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus
    International Conference on Computational Methods in Water Resources
    Presentation's date: 2010-06-21
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Lagrangian Transport Upscaling in Heterogeneous Media

     Dentz, Marco; Le Borgne, Tanguy; Carrera Ramirez, Jesus
    European Geosciences Union General Assembly
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • The role of dispersion in steady state heat transport in 3D heterogeneous porous media

     Hidalgo González, Juan José; Carrera Ramirez, Jesus; Dentz, Marco
    European Geosciences Union General Assembly
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Salinity is reduced below the evaporation front during soil salinization

     GRAN, MERITXELL; Carrera Ramirez, Jesus; Olivella Pastalle, Sebastian; MASSANA, JORDI; Saaltink, Maarten Willem; Ayora Ibáñez, Carlos; Lloret Morancho, Antonio
    Jornadas de Investigación de la Zona no Saturada del Suelo
    Presentation's date: 2009-11-18
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Access to the full text
    Multicomponent reactive transport in multicontinuum media  Open access

     Donado, Leonardo David; Sanchez Vila, Francisco Javier; Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus; Bolster, Diogo
    Water resources research
    Date of publication: 2009
    Journal article

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Multicomponent reactive transport in aquifers is a highly complex process, owing to a combination of variability in the processes involved and the inherent heterogeneity of nature. To date, the most common approach is to model reactive transport by incorporating reaction terms into advection-dispersion equations (ADEs). Over the last several years, a large body of literature has emerged criticizing the validity of the ADE for transport in real media, and alternative models have been presented. One such approach is that of multirate mass transfer (MRMT). In this work, we propose a model that introduces reactive terms into the MRMT governing equations for conservative species. This model conceptualizes the medium as a multiple continuum of one mobile region and multiple immobile regions, which are related by kinetic mass transfer processes. Reactants in both the mobile and immobile regions are assumed to always be in chemical equilibrium. However, the combination of local dispersion in the mobile region and the various mass transfer rates induce a global chemical nonequilibrium. Assuming this model properly accounts for transport of reactive species, we derive explicit expressions for the reaction rates in the mobile and immobile regions, and we study the impact of mass transfer on reactive transport. Within this framework, we observe that the resulting reaction rates can be very different from those that arise in a system governed by an ADE-type equation.

  • Effect of dispersion on the onset of convection during CO2 sequestration

     Hidalgo González, Juan José; Carrera Ramirez, Jesus
    Journal of fluid mechanics
    Date of publication: 2009-12
    Journal article

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Access to the full text
    Enhanced mixing in heterogeneous Buckley Leverett flow due to temporal fluctuations  Open access

     Bolster, Diogo; Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus; Espino Infantes, Manel
    European Geosciences Union General Assembly
    Presentation of work at congresses

    Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Vertical Integration for Modelling Seawater Intrusion

     Pool Ramirez, Maria; Carrera Ramirez, Jesus; Hidalgo, Juan J.; Dentz, Marco; Abarca Cameo, Elena
    SWIM. 20th. Salt Water Intrusion Meeting
    Presentation of work at congresses

    View View Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Non-fickian dispersion in porous media explained by heterogeneous microscale matrix diffusion

     Gouze, P.; Melean, Y.; Le Borgne, Tanguy; Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus
    Water resources research
    Date of publication: 2008-11
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • An object-Oriented module for geochemical and reactive transport modeling

     Bea Jofre, Sergio Andres
    Defense's date: 2008-10-14
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Providing simple solutions for evaluating reaction rates in complex multi-species reactive transport problems. Is it really possible?

     Carrera Ramirez, Jesus
    ModelCARE 2007
    Presentation's date: 2007-01-01
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Effective Transport in Stratified Random Flows

     Carrera Ramirez, Jesus
    7th North American Workshop on the Applications of the Physics of Porous Media
    Presentation's date: 2007-01-01
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Modelación de procesos de evaporación y condensación en el interior de una celda de residuos

     Gamazo Rusnac, Pablo Andres; Saaltink, Maarten Willem; Carrera Ramirez, Jesus; Zuloaga Lalana, Pablo
    Jornadas de Investigación de la Zona no Saturada del Suelo
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Characterization of mixing and spreading in a bounded stratified medium

     Carrera Ramirez, Jesus
    AGU Fall Meeting
    Presentation's date: 2007-01-01
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Effects of concentration fluctuations and gradient on reactive mixing

     Carrera Ramirez, Jesus
    AGU Fall Meeting
    Presentation's date: 2007-01-01
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • La cobertura de "el cabril": diseño e instrumentación

     GRAN, MERITXELL; Carrera Ramirez, Jesus; Saaltink, Maarten Willem; Ayora Ibáñez, Carlos; Bajos, C; Zuloaga, P; Armada, A; Rey, M
    Jornadas de Investigación de la Zona no Saturada del Suelo
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Mixing and spreading in stratified flow

     Dentz, Marco; Carrera Ramirez, Jesus
    Physics of fluids
    Date of publication: 2007-01
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Weathering of sulfides and natural attenuation of acid mine waters  awarded activity

     Acero Salazar, Patricia
    Defense's date: 2007-06-08
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Dispersed Alkaline Substrate (DAS): A novel option for the passive treatment of waters with high metal concentrations

     Rötting, Tobias Stefan
    Defense's date: 2007-05-25
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Multirate mass transfer for reactive transport in heterogeneous media TIPO DE

     Carrera Ramirez, Jesus
    Third Annual Workshop of the European Union Integrated Project FUNMIG
    Presentation's date: 2007-01-01
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • La sostenibilitat hidràulica de les ciutats: sobre les aigües subterrànies i d'altres fonts d'aigua

     Carrera Ramirez, Jesus; Vázquez Suñé, Enric; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Date of publication: 2006-06
    Book chapter

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Seawater intrusion in complex geological environments  Open access

     Abarca Cameo, Elena
    Defense's date: 2006-05-05
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

    Read the abstract Read the abstract Access to the full text Access to the full text Open in new window  Share Reference managers Reference managers Open in new window

    Modelling seawater intrusion (SWI) has evolved from a tool for understanding to a water management need. Yet, it remains a challenge. Difficulties arise from the assessment of dispersion coefficients and the complexity of natural systems that results in complicated aquifer geometries and heterogeneity in the hydraulic parameters. Addressing such difficulties is the objective of this thesis. Specifically, factors that may affect the flow and transport in coastal aquifers and produce heterogeneous salinity distributions are studied.First, a new paradigm for seawater intrusion is proposed since the current paradigm (the Henry problem) fails to properly reproduce observed SWI wedges. Mixing is represented by means of a velocity dependent dispersion tensor in the new proposed problem. Thereby, we denote it as "dispersive Henry problem". SWI is characterized in terms of the wedge penetration, width of the mixing zone and influx of seawater. We find that the width of the mixing zone depends basically on dispersion, with longitudinal and transverse dispersion controlling different parts of the mixing zone but displaying similar overall effects. The wedge penetration is mainly controlled by the horizontal permeability and by the geometric mean of the dispersivities. Transverse dispersivity and the geometric mean of the hydraulic conductivity are the leading parameters controlling the amount of salt that enters the aquifer.Second, the effect of heterogeneity was studied by incorporating heterogeneity in the hydraulic permeability into the modified Henry problem. Results show that heterogeneity causes the toe to recede while increases both the width and slope of the mixing zone. The shape of the interface and the saltwater flux depends on the distribution of the permeability in each realization. However, the toe penetration and the width of the mixing zone do not show large fluctuations. Both variables are satisfactorily reproduced, in cases of moderate heterogeneity, by homogeneous media with equivalent permeability and either local or effective dispersivities.Third, the effect of aquifer geometry in horizontally large confined aquifers was analyzed. Lateral slope turned out to be a critical factor. Lateral slopes in the seaside boundary of more than 3% cause the development of horizontal convection cells. The deepest zones act as preferential zones for seawater to enter the aquifer and preferential discharging zones are developed in the upwards lateral margins. A dimensionless number, Nby, has been defined to estimate the relative importance of this effect.All these factors can be determinant to explain the evolution of salinity in aquifers such as the Main aquifer of the Llobregat delta. Finally, a management model of this aquifer is developed to optimally design corrective measures to restore the water quality of the aquifer. The application of two different optimization methodologies, a linear and a non-linear optimization method, allowed (1) to quantify the hydraulic efficiency of two potential corrective measures: two recharge ponds and a seawater intrusion barrier; (2) to determine the water necessary to be injected in each of these measures to restore the water quality of the aquifer while minimizing changes in the pumping regime and (3) to assess the sustainable pumping regime (with and without the implementation of additional measures) once the water quality has been restored. Shadow prices obtained from linear programming become a valuable tool to quantify the hydraulic efficiency of potential corrective measures to restore water quality in the aquifer.

  • Approaching the facies architecture of the emerged and submerged part of the Llobregat quaternary delta

     Gàmez, D; Vàzquez-Suñé, J A Simó E A Barnolas; Vázquez Suñé, Enric; Carrera Ramirez, Jesus
    European Geosciences Union General Assembly
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Evaluation of uncertainity in model predictions: addressing conceptualization uncertainity

     Carrera Ramirez, Jesus
    European Geosciences Union General Assembly
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Nota tècnica pou d'atac I

     Vázquez Suñé, Enric; Carrera Ramirez, Jesus
    Date: 2006-02
    Report

     Share Reference managers Reference managers Open in new window