Graphic summary
  • Show / hide key
  • Information


Scientific and technological production
  •  

1 to 50 of 102 results
  • Estimation of aquifers hydraulic parameters by three different tecniques: geostatistics, correlation and modeling.

     Barahona Palomo, Marco
    Defense's date: 2014-02-28
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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

    La caracterización de parámetros hidráulicos en acuíferos es una tarea dificil que requiere información de campo. La mayoria de las veces el hidroge61ogo se basa en valores procedentes de diferentes pruebas para interpretar Ia configuraci6n hidrogeol6gica y posiblemente, generar un modele. Sin embargo, obtener lo mejor de esta informaci6n puede ser un reto.Esta tesis analiza tres casos. Primero, se analiza Ia conductividad hidráulica (K) asociada a una escala de medici6n del orden de 10 m"-1 y obtenida durante una campana de campo. Las estimaciones se obtuvieron en puntas coincidentes en el sitio, mediante: a formulación empírica de Kozeny-Carman, proporcionando valores de K, con base en Ia distribuci6n de tamaño de partículas y las pruebas del medidor de caudal de tipo impulsor en el pozo, el cual infiere las medidas de K a partir de los flujos verticales dentro de un pozo. La correlaci6n entre los dos conjuntos de estimaciones es prácticamente ausente. Sin embargo, las estadísticas de algoritmo natural de ambos conjuntos en el lugar son similares en términos de valores medidos difieren en terminas de rangos del vario grama y varianzas de muestra. Esto es consecuente con el hecho de que los dos tipos de estimaciones pueden estar asociadas con escalas de apoyo de medici6n diferentes (aunque comparables). También coincide con los resultados publicados sobre Ia interpretación de Ia variabilidad de los descriptores geo estadísticos de parámetros hidráulicos en multiplex escalas de observaci6n.El análisis refuerza Ia idea de que los valores de K y descriptores geo estadísticos clave asociadas al inferirse de diferentes metodologías yen las escalas de observaci6n similares (en el case del orden de decenas de en) no son fácilmente comparables y deben ser usados con cuidado en Ia modelaci6n de flujo (y eventualmente, el transporte) del agua subterránea.En segundo lugar, un método de regresión kemel adaptado a datos, originalmente desarrollado para el procesamiento yreconstrucci6n de imágenes se modifica y se utiliza para Ia delimitación de facies. Esta metodología no paramétrica utiliza tanto Ia distribuci6n espacial como el valor de Ia muestra, para producir en cada punto de datos una funci6n kernel de direcci6n localmente adaptativo, con ajuste automático del kernel a Ia direcci6n de mayor correlaci6n espacial local. Se demuestra que este metada supera el NNC (por su acr6nimo en Ingles nearest-neighbor classification) en varies cases de acuíferos sintéticos donde el numero de datos disponibles es pequeno y Ia distribuci6n es aleatoria. Sin embargo, en el caso limite, cuando hay un gran numero de muestras, tanto el metodo kernel adaptado a Ia direcci6n local como el metoda de NNC convergen a Ia soluci6n verdadera. Las simulaciones son finalmente utilizadas para explorar cuales parámetros de Ia funci6n kernel dan resultados 6ptimos en Ia reconstrucci6n de resultados en escenarios tipicos de campo. SeDemuestra que, en Ia practica, una regia general puede ser utilizada para obtener resultados casi 6ptimos, los cuales mejoran cuando se utiliza información clave como Ia proporci6n de facies.En tercer Iugar, se modela el efecto de Ia fluctuaci6n de Ia temperatura del agua sobre Ia K de sedimentos gruesos debajo de una instalaci6n de recarga artificial y se compara con datos de campo. Debido a Ia alta permeabilidad, el agua se desplaza a alta velocidad alta, y por lo tanto, agua con temperatura diferente esta presente en el sedimento bajo Ia balsa en diferentes mementos, esto se traduce en diferentes valores de K dentro de Ia misma capa. Se observaron diferencias de casi 79% en Ia K del modelo, para las temperaturas utilizadas (2°C-25°C}. Esta variaci6n de Ia Ken el sedimento por debajo de Ia balsa de infiltraci6n cuando el agua de temperatura variable entra en el sedimento, causa un cambio en Ia velocidad de infiltraci6n con el tiempo y produce las variaciones observadas en las mediciones de campo.

  • NUMERICAL MODELLING OF CONSTRUCTED WETLANDS FOR WASTEWATER TREATMENT

     Samso Campa, Roger
    Defense's date: 2014-03-28
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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

    Els aiguamolls construïts (AC) són sistemes de tractament d¿aigües residuals que aprofiten la capacitat de purificació dels aiguamolls naturals i n¿optimitzen el rendiment per complir regulacions d'abocaments tractats. Aquests sistemes són una alternativa d¿eficiència equiparable a les tecnologies de tractament convencionals per comunitats de fins a 2000PE, amb costos energètics i de manteniment menors. Malgrat això, els AC són poc fiables degut a la manca de coneixement sobre el seu funcionament i al fenomen de la colmatació. L¿enorme diversitat de tipologies i estratègies d¿operació dels AC, i el fet que operen a mercè de les condicions ambientals, fa que cada aiguamoll sigui únic en el seu gènere. En conseqüència, en força ocasions, els resultats d'estudis experimentals en AC no són extrapolables. Aquest fet converteix els models numèrics en una eina clau per estudiar el seu funcionament. Així, darrerament diversos models han proliferat com a eines de suport al disseny i operació dels AC i per comprendre millor els processos que s'hi donen. No obstant, el desenvolupament de models d¿AC es trobava una etapa embrionària. D¿acord amb això, els objectius del present treball han estat desenvolupar un model capaç de descriure els processos que tenen lloc en AC i aplicar-lo per millorar el coneixement sobre el seu funcionament a llarg termini. En aquest treball es desenvolupa un model d'AC en COMSOL Multiphysics, anomenat BIO_PORE. Permet simular flux subterrani i el transport de contaminants en medi porós. Implementa el model biocinètic Constructed Wetlands Model numero 1 (CWM1) per descriure l'eliminació de matèria orgànica, nitrogen i sofre així com el creixement dels bacteris habituals en AC. A més, BIO_PORE inclou dos paràmetres empírics (Mcap i Mbio_max) que milloren la descripció del creixement bacterià. El model es va calibrar amb dades experimentals d'un any de funcionament d¿un sistema pilot i l'efecte dels dos paràmetres introduïts es va avaluar amb un anàlisi de sensibilitat local. Posteriorment es va simular la dinàmica dels bacteris dins els AC. Al final del document es presenta una formulació per descriure la colmatació d¿origen biològic en medi porós i es realitza un experiment numèric per demostrar l¿impacte d¿aquest fenomen en la dinàmica dels AC. El principal resultat d¿aquest treball és el propi model BIO_PORE, que va permetre reproduir les concentracions efluents de contaminants durant tot un any de funcionament del sistema pilot. Mcap i Mbio_max van prevenir el creixement bacterià il¿limitat. Aquests dos paràmetres van ser responsables del bon ajust dels efluents simulats amb les mesurats experimentalment, fet que es va confirmar amb l¿anàlisi de sensibilitat posterior. Els resultats obtinguts amb el model es van utilitzar per construir un marc teòric conceptual, anomenat the Cartridge Theory, que descriu els patrons bàsics de funcionament dels AC de flux subsuperficial horitzontal. La teoria indica que les comunitats bacterianes es desplacen cap a la secció de sortida amb el temps, seguint l¿acumulació progressiva de sòlids inerts en la mateixa direcció. Segons aquest resultat els AC tenen una vida limitada, que correspon al temps després del qual les comunitats bacterianes es concentren tan aprop de la secció de sortida que la biomassa total no és capaç de proporcionar efluents de qualitat acceptable. La inclusió de la colmatació biològica del medi granular va ser requisit indispensable per reproduir correctament la distribució de bacteris i el flux i transport de contaminants dins els AC. Finalment, de resultes d'aquest treball també es fa evident que és necessari concentrar esforços en el desenvolupament del model BIO_PORE i en la seva calibració i validació.

  • An analytical solution to study substrate-microbial dynamics in soils

     Sanchez Vila, Francisco Javier; Rubol, Simonetta; Carles Brangari, Albert; Fernandez Garcia, Daniel
    Advances in water resources
    Date of publication: 2013-04
    Journal article

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

    We provide an approximate analytical solution for the substrate-microbial dynamics of the organic carbon cycle in natural soils under hydro-climatic variable forcing conditions. The model involves mass balance in two carbon pools: substrate and biomass. The analytical solution is based on a perturbative solution of concentrations, and can properly reproduce the numerical solutions for the full non-linear problem in a system evolving towards a steady state regime governed by the amount of labile carbon supplied to the system. The substrate and the biomass pools exhibit two distinct behaviors depending on whether the amount of carbon supplied is below or above a given threshold. In the latter case, the concentration versus time curves are always monotonic. Contrarily, in the former case the C-pool concentrations present oscillations, allowing the reproduction of non-monotonic small-scale biomass concentration data in a natural soil, observed so far only in short-term experiments in the rhizosphere. Our results illustrate the theoretical dependence of oscillations from soil moisture and temperature and how they may be masked at intermediate scales due to the superposition of solutions with spatially variable parameters.

    We provide an approximate analytical solution for the substrate-microbial dynamics of the organic carbon cycle in natural soils under hydro-climatic variable forcing conditions. The model involves mass balance in two carbon pools: substrate and biomass. The analytical solution is based on a perturbative solution of concentrations, and can properly reproduce the numerical solutions for the full non-linear problem in a system evolving towards a steady state regime governed by the amount of labile carbon supplied to the system. The substrate and the biomass pools exhibit two distinct behaviors depending on whether the amount of carbon supplied is below or above a given threshold. In the latter case, the concentration versus time curves are always monotonic. Contrarily, in the former case the C-pool concentrations present oscillations, allowing the reproduction of non-monotonic small-scale biomass concentration data in a natural soil, observed so far only in short-term experiments in the rhizosphere. Our results illustrate the theoretical dependence of oscillations from soil moisture and temperature and how they may be masked at intermediate scales due to the superposition of solutions with spatially variable parameters.

  • Controlling scaling metrics for improved characterization of well-head protection regions

     De Barros, Felipe P.J.; Guadagnini, Alberto; Fernandez Garcia, Daniel; Riva, Monica; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Journal of hydrology
    Date of publication: 2013-06
    Journal article

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

    We addressed the value of hydrogeological information on the assessment of the risk that an operating pumping well is polluted. The work considered a heterogeneous aquifer and focused on the statistical characterization of the contaminant mass fraction from a diffused source recovered at the well and the solute arrival times. We explored the role of the key length scales that characterize and control the well capture region and its probabilistic delineation with respect to the contaminant source location and size. The impact of augmenting the data-base of hydraulic information on the reduction of uncertainty associated with the environmental scenario analyzed was then investigated. It was found that obtaining a robust characterization of the target Environmental Performance Metrics (EPMs) depends on the length scale considered. For the sampling scheme considered, the importance of conditioning on the probability distributions of solute mass fraction and travel times is strongly affected by the location of the contaminant source within the probabilistic well catchment. With reference to the characterization of the travel time distribution associated with the recovery of a given mass fraction, the worth of augmenting the hydraulic parameter data-sets tends to decrease with decreasing solute residence time within the well catchment.

  • A risk-based probabilistic framework to estimate the endpoint of remediation: concentration rebound by rate-limited mass transfer

     De Barros, Felipe P.J.; Fernandez Garcia, Daniel; Bolster, Diogo; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Water resources research
    Date of publication: 2013-04
    Journal article

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

    Aquifer remediation is a challenging problem with environmental, social, and economic implications. As a general rule, pumping proceeds until the concentration of the target substance within the pumped water lies below a prespecified value. In this paper we estimate the a priori potential failure of the endpoint of remediation due to a rebound of concentrations driven by back diffusion. In many cases, it has been observed that once pumping ceases, a rebound in the concentration at the well takes place. For this reason, administrative approaches are rather conservative, and pumping is forced to last much longer than initially expected. While a number of physical and chemical processes might account for the presence of rebounding, we focus here on diffusion from low water mobility into high mobility zones. In this work we look specifically at the concentration rebound when pumping is discontinued while accounting for multiple mass transfer processes occurring at different time scales and parametric uncertainty. We aim to develop a risk-based optimal operation methodology that is capable of estimating the endpoint of remediation based on aquifer parameters characterizing the heterogeneous medium as well as pumping rate and initial size of the polluted area.

  • On the formation of breakthrough curves tailing during convergent flow tracer tests in three-dimensional heterogeneous aquifers

     Pedretti, Daniele; Fernandez Garcia, Daniel; Bolster, Diogo; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Water resources research
    Date of publication: 2013-07
    Journal article

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

    Anomalous transport in advection-dominated convergent flow tracer tests can occurs due to small-scale heterogeneities in aquifer hydraulic properties. These result in fluctuations of the groundwater velocity field and complex connectivity patterns between injection and extraction wells. While detailed characterization of heterogeneity is often not possible in practice, a proper understanding of what fundamental physical mechanisms can give rise to macroscopic behaviors that are measurable is essential for proper upscaling of solute transport processes. We analyze here how heavy-tailed breakthrough curves can arise in radially convergent flow to a well. The permeability fields are three-dimensional multi-Gaussian fields with varying statistical geometry and degrees of heterogeneity. We consider transport of conservative tracers from multiple injection locations by varying distance and angle from the extraction well. Anomalous power law tailing in breakthrough curves is attributed to a variety of features including the initial vertical stratification of the solute that arises due to a flux-weighted injection, the injection distance to the well relative to the depth of the aquifer, and the statistics of the heterogeneity field as defined by the correlation length and variance of the permeability. When certain conditions cooccur for a given injection, such as strong connectivity contrasts between aquifer layers, injection distances comparable to the horizontal heterogeneity integral scales, and large global variances, breakthrough curves tend to scale as a PL with unit slope at late time. These findings offer new insights to understand what physical processes must be understood to develop and choose appropriate upscaling approaches that might reproduce such anomalous transport in heterogeneous advection-dominated systems.

  • Dynamic interactions between hydrogeological and exposure parameters in daily dose prediction under uncertainty and temporal variability

     Kumar, Vikas Jawahar Senthil; De Barros, Felipe P.J.; Schuhmacher, Marta; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Journal of hazardous materials
    Date of publication: 2013-12
    Journal article

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

    We study the time dependent interaction between hydrogeological and exposure parameters in daily dose predictions due to exposure of humans to groundwater contamination. Dose predictions are treated stochastically to account for an incomplete hydrogeological and geochemical field characterization, and an incomplete knowledge of the physiological response. We used a nested Monte Carlo framework to account for uncertainty and variability arising from both hydrogeological and exposure variables. Our interest is in the temporal dynamics of the total dose and their effects on parametric uncertainty reduction. We illustrate the approach to a HCH (lindane) pollution problem at the Ebro River, Spain. The temporal distribution of lindane in the river water can have a strong impact in the evaluation of risk. The total dose displays a non-linear effect on different population cohorts, indicating the need to account for population variability. We then expand the concept of Comparative Information Yield Curves developed earlier (see de Barros et al. [29]) to evaluate parametric uncertainty reduction under temporally variable exposure dose. Results show that the importance of parametric uncertainty reduction varies according to the temporal dynamics of the lindane plume. The approach could be used for any chemical to aid decision makers to better allocate resources towards reducing uncertainty. © 2013 Elsevier B.V.

  • 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

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • 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

    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.

  • GIS-based hydrogeologica platform for sedimentary media

     Velasco Mansilla, Domitila Violeta
    Defense's date: 2013-12-17
    Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

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

    La modelización hidrogeológica tridimensional de los medios sedimentarios que suelen constituir acuíferos importantes es compleja debido principalmente a tres factores: (1) la heterogeneidad natural intrínseca del medio, (2) la necesidad de integrar un modelo geológico tridimensional que represente dicha heterogeneidad adecuadamente en los procesos de modelización hidrogeológica y (3) la escasez de herramientas apropiadas para gestionar grandes cantidades de datos hidrogeológicos espacio- temporales.El primer objetivo de esta tesis ha sido el desarrollo de una plataforma software en un entorno GIS que facilite la realización de modelos hidrogeológicos 3D. Está compuesta por una base de datos geoespacial y un conjunto de herramientas que permiten al usuario gestionar, visualizar, analizar, interpretar y pre-post procesar los datos almacenados en dicha base de datos.El modelo de bases de datos propuesta en esta tesis (HYDOR) se ha implementado en una base de datos geoespacial del tipo Personal Geodatabase (ArcGIS, ESRI) y permite la integración en una estructura coherente y lógica de un amplio rango de tipos de información hidrogeológica procedentes de diversas fuentes y con diferentes formatos.Los diferentes instrumentos desarrollados para explotar los datos almacenados en la base de datos se han creado como una extensión de ArcMap (ArcGIS; ESRI) y se reagrupan formando tres barras de herramientas.La primera barra de herramientas (HEROS) además de facilitarnos el análisis y la interpretación de los datos geológicos almacenados en la base de datos, nos permite generar modelos geológicos tridimensionales. Entre las funciones de dichas herramientas, está la de poder visualizar la información geológica aportada por los sondeos en forma de columna estratigráfica así como la generación automática de perfiles geológicos que muestran las diferentes columnas estratigráficas de los sondeos seleccionados.La segunda barra de herramientas, QUIMET, cubre un amplio rango de metodologías para consultar, interpretar y comparar diferentes parámetros hidroquímicos. Además nos permite desarrollar un análisis estadístico completo en el que se incluyen entre otros, análisis estadísticos univariante, bivariante y generación de matrices de correlación de diferentes compuestos químicos.La última barra de herramientas (HYYH) se ha diseñado para visualizar y analizar los datos hidrogeológicos entre los que se incluyen los procedentes de ensayos hidráulicos. Usando estas herramientas se pueden generar mapas de isolineas y otras representaciones espaciales que nos permitan visualizar la profundidad o el espesor de los acuíferos. Del mismo modo, se pueden obtener mapas piezometricos de los puntos seleccionados para un intervalo de tiempo determinado por el usuario. Finalmente, otra herramienta nos permite consultar las interpretaciones procedentes de ensayos hidráulicos.La información obtenida usando todas estas herramientas, también se almacenan en la base de datos constituyendo de este modo una base para futuras interpretaciones.El segundo objetivo de esta tesis ha sido la aplicación de esta plataforma software en la gestión de los datos disponibles del área urbana de Barcelona (NE de España) obteniendo con ello una herramienta apropiada de gestión de los recursos hídricos de esta zona tanto en términos de calidad como de cantidad.Concretamente en la zona del Delta del Besòs (NE de Barcelona), la aplicación de esta plataforma de gestión nos ha facilitado lo siguiente: (1) la delimitación de unidades geológicas basadas en criterios de estratigrafía secuencial, (2) la generación de un modelo geológico tridimensional de facies basado en dichos criterios estratigráficos, (3) el uso del modelo geológico obtenido par establecer la distribución espacial de los parámetros hidráulicos que nos han servido para generar un modelo hidrogeológico consistenete del complejo deltaico.

  • 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

    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.

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

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

    Read the abstract Read the abstract  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.

  • DESCONTAMINACION EN MEDIO POROSO MEDIANTE FLUCTUACIONES TEMPORALES DEL FLUJO DE AGUA

     Fernandez Garcia, Daniel
    Participation in a competitive project

     Share

  • A bayesian approach to integrate temporal data into probabilistic risk analysis of monitored NAPL remediation

     Fernandez Garcia, Daniel; Bolster, Diogo; Sanchez Vila, Francisco Javier; Tartakovsky, Daniel
    Advances in water resources
    Date of publication: 2012-02
    Journal article

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

  • Probabilistic analysis of maintenance and operation of artificial recharge ponds

     Pedretti, Daniele; Barahona Palomo, Marco; Bolster, Diogo; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier; Tartakovsky, Daniel
    Advances in water resources
    Date of publication: 2012-02
    Journal article

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

  • Probabilistic analysis of groundwater-related risks at subsurface excavation sites

     Jurado Elices, Anna; De Gaspari, Francesca; Vilarrasa Riaño, Victor; Bolster, Diogo; Sanchez Vila, Francisco Javier; Fernandez Garcia, Daniel; Tartakovsky, Daniel
    Engineering geology
    Date of publication: 2012-01-27
    Journal article

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

  • A quick and inexpensive method to quantify spatially variable infiltration capacity for artificial recharge ponds using photographic images

     Pedretti, Daniele; Barahona Palomo, Marco; Bolster, Diogo; Sanchez Vila, Francisco Javier; Fernandez Garcia, Daniel
    Journal of hydrology
    Date of publication: 2012-04-02
    Journal article

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

  • Visualization of mixing processes in a heterogeneous sand box aquifer

     Castro Alcalà, Eduardo Francisco; Fernandez Garcia, Daniel; Bolster, Diogo; Carrera Ramírez, Jesús
    Environmental science and technology
    Date of publication: 2012-03-20
    Journal article

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

  • Tools and analysis of spatio-temporal dynamics in heterogeneous aquifers: Applications to artificial recharge and forced-gradient solute transport  Open access

     Pedretti, Daniele
    Defense's date: 2012-12-21
    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

    This thesis deals with the development of tools and analysis to characterize and predict artificial recharge and radial convergent solute transport processes in heterogeneous media. The goal is to provide new insights to understand how heterogeneity, which is the main natural source of uncertainty in decision-making processes related with groundwater applications, can be controlled and its effects predicted for practical purposes in these topics. For hydrogeological applications, accurate modeling of phenomena is needed, but it is uncertain. Uncertainty is derived from the spatio-temporal random distribution of hydrodynamic (physical, chemical and biological) variables affecting groundwater processes, which is translated into random distribution of modeling parameters and equations. Such randomness is of two types: epistemic, when it can be reduced increasing the sample frequency of an experiment; aleatory, when it cannot be reduced when more information is analyzed. Sometimes hydrodynamic processes occur at so small scales that they become impossible to characterize with traditional methods, and from a practical perspective, this is analogous to deal with aleatoric model parameters. However, if some constitutive relationship (either empirically, theoretically or physically based) can be built between processes across different scales, then small-scale processes can be reproduced by equivalent large-scale model parameters. Uncertainty becomes amenable to be treated as epistemic randomness, and large-scale characterization techniques can be used to improve the description, interpretation or prediction of these processes. This thesis deals with these topics. The manuscript is composed by two main parts (the first on artificial recharge and the second on solute transport), each of them divided into three chapters. In chapter 1 of each part, a tool is developed to obtain quantitative information to model a selected variable at coarse grid resolutions. In the case of artificial recharge, satellite images are used to model the spatial variability of the infiltration capacity on top soils with a metric-scale detail. In the case of solute transport, a new method to estimate density from particle distribution is shown. In chapters 2, it is explored what processes occurring at the fine scales can affect the interpretation of artificial recharge and solute transport processes at larger scales. In the first part, a combined method that joins satellite images and field data along with a simple clogging model is used to display the equally-possible spatio-temporal mapping of the infiltration capacity of topsoil during artificial pond flooding activities. In the second part, numerical three-dimensional models are used to simulate transport in heterogeneous media under convergent radial flow to a well at fine scale. It is shown that an appropriate model framework can reproduce similar observations on contaminant temporal distribution at controlling section similar to those obtained in the field tracer tests. It is also provided a physical explanation to describe the so-called anomalous late-time behavior on breakthrough curves which is sometimes observed in the reality at larger scales. In the chapters 3, models are used to define the uncertainty around operating parameters in the optic of prediction and management on artificial recharge and solute transport. In the first case, a probability framework is built to define the engineering risk of management of artificial recharge ponds due to random variability of the initial distribution of infiltration, which controls several important clogging factors based on theoretical approaches. In the case of solute transport, it is discussed how equivalent parameters based on mass-transfer models can be related with the geometrical distribution of hydraulic parameters in anisotropic formation, when convergent flow tracer tests are used.

  • 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.

  • Mixing induced reactive transport in fractured crystalline rocks

     Martinez Landa, Lourdes; Dentz, Marco; Carrera Ramírez, Jesús; Fernandez Garcia, Daniel; Nardi, Albert; Saaltink, Maarten Willem
    Applied geochemistry
    Date of publication: 2012-02
    Journal article

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

  • Combining physical-based models and satellite images for the spatio-temporal assessment of soil infiltration capacity

     Pedretti, Daniele; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier; Barahona Palomo, Marco; Bolster, Diogo
    Stochastic environmental research and risk assessment
    Date of publication: 2011-05-29
    Journal article

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

    The performance of managed artificial recharge (MAR) facilities by means of surface ponds (SP) is controlled by the temporal evolution of the global infiltration capacity Ic of topsoils. Cost-effective maintenance operations that aim to maintain controlled infiltration values during the activity of the SP require the full knowledge of the spatio-temporal variability of Ic. This task is deemed uncertain. The natural reduction in time of Ic depends on complex physical, biological and chemical reactions that clog the soil pores and has been observed to decay exponentially to an asymptotic non-zero value. Moreover, the relative influence of single clogging processes depend on some initial parameters of the soil, such as the initial infiltration capacity (Ic,0). This property is also uncertain, as aquifers are typically heterogeneous and scarcely characterized in practical situations. We suggest a method to obtain maps of Ic using a geostatistical approach, which is suitable to be extended to engineering risk assessment concerning management of SP facilities. We propose to combine geostatistical inference and a temporally-lumped physical model to reproduce non-uniform clogging in topsoils of a SP, using field campaigns of local and large scale tests and additionally by means of satellite images as secondary information. We then postulate a power-law relationship between the parameter of the exponential law, k, and Ic,0. It is found that calibrating the two parameters of the power law model it is possible to fit the temporal evolution of total infiltration rate at the pond scale in a MAR test facility. The results can be used to design appropriate measures to selectively limit clogging during operation, extending the life of the infiltration pond.

  • 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

  • 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

  • Heterogeneidad y transporte reactivo

     Castro Alcalà, Eduardo Francisco; Dentz, Marco; De Gaspari, Francesca; Batlle Pifarre, Francisco; Roetting, Tobias Stefan; Fernandez Garcia, Daniel; Saaltink, Maarten Willem
    Participation in a competitive project

     Share

  • Optimal reconstruction of concentrations, gradients and reaction rates from particle distributions

     Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Journal of contaminant hydrology
    Date of publication: 2011
    Journal article

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

  • Conditional stochastic mapping of transport connectivity

     Fernandez Garcia, Daniel; Trinchero, Paolo; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Water resources research
    Date of publication: 2010
    Journal article

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

  • A random walk particle tracking methodology to model reactive transport in heterogeneous porous media

     Castro Ledesma, Adolfo
    Defense's date: 2010-01-08
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Computational Methods in Water Resources

     Fernandez Garcia, Daniel; Saaltink, Maarten Willem; Dentz, Marco; Carrera Ramírez, Jesús; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Participation in a competitive project

     Share

  • A sensivity analysis of tide-induced head fluctuations in coastal aquifers

     Slooten, Luit Jan; Castro Alcalà, Eduardo Francisco; Carrera Ramírez, Jesús; Fernandez Garcia, Daniel
    Journal of hydrology
    Date of publication: 2010
    Journal article

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

    The response of coastal aquifers to sea-level fluctuations, notably tides, is known to contain much information about hydraulic parameters. We performed sensitivity analyses to assess how much, about what and where this information can be best obtained. It is well known that the response to harmonic fluctuations (and many harmonics can be superimposed to describe sea-level fluctuations) decreases exponentially with distance inland. The characteristic length of this decay is Lc= ..., where D is hydraulic diffusivity and P is period. Maximum sensitivity is obtained for distances equal to Lc, which is where maximum information would be obtained if the aquifer is treated as homogeneous. However, sensitivity depends not only on the problem dynamics, but also on parameterization. In fact, if heterogeneity is acknowledged by finely discretizing hydraulic conductivity, we find that connection to the sea (i.e. K near the coast) is what can be characterized best, while the most informative measurements are located at around 0.5 Lc. Thin low conductivity zones near the coast lead to a stepwise decrease in the amplitude of groundwater head fluctuations. We find that the fluctuations are independent of buoyancy effects, so that they can be simulated by constant density codes. High information content and ease of use suggest that they should be helpful in characterizing the aquifer–sea connection, which is important for coastal aquifer protection against seawater intrusion.

  • Interpretation of column experiments of transport of solutes undergoing an irreversible bimolecular reaction using a continuum approximation

     Sanchez Vila, Francisco Javier; Fernandez Garcia, Daniel; Guadagnini, Alberto
    Water resources research
    Date of publication: 2010-12-02
    Journal article

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

  • Probabilistic risk analysis of groundwater remediation strategies

     Bolster, Diogo; Dentz, Marco; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Water resources research
    Date of publication: 2009-05
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Characterization of Spatial Heterogeneity in Groundwater Applications.  Open access

     Trinchero, Paolo
    Defense's date: 2009-02-20
    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 heterogeneidad es una característica saliente de cada formación geológica natural. En las últimas décadas un gran número de trabajos se han centrado en estudiar la influencia de la heterogeneidad en los problemas de flujo y transporte en medios poros. Dichos trabajos han mejorado sustancialmente la comprensión de los mecanismos que gobiernan estos fenómenos, sin embargo aun existen carencias en la caracterización de propiedades importantes de un acuífero. Entre ellas, el flujo preferencial, la conectividad entre dos puntos de un acuífero y la interpretación de ensayos en acuíferos heterogéneos son aspectos importantes que tienen que ser adecuadamente evaluados para obtener modelos predictivos robustos. En este contexto, el objetivo de esta tesis es doble:· mejorar el conocimiento de la influencia de la heterogeneidad en los procesos de flujo y transporte· proporcionar nuevas herramientas para caracterizar la heterogeneidad de los acuíferosEn primer lugar, evaluamos la relación entre dos indicadores de conectividad de flujo y transporte. El indicador de conectividad de flujo utilizado aquí se basa en el tiempo de respuesta hidráulica en un ensayo de bombeo (por ejemplo, el coeficiente de almacenamiento estimado con el método de Cooper-Jacob). Como indicador de conectividad de transporte utilizamos la porosidad estimada de curvas de llegadas (Φest) en ensayos de trazadores con flujo radial. Los resultados obtenidos permiten explicar la poca correlación entre estos dos indicadores ya observada númericamente por Knudby y Carrera (2005).En segundo lugar, se ha desarrollado un marco geoestádistico para delinear mapas de conectividad utilizando un número limitado de medidas hidráulicas. La metodología permite condicionar los resultados a tres tipos de datos medidos a diferentes escalas: (a) tiempos de llegada de ensayos de trazadores en flujo convergente ta, (b) estimaciones del coeficiente de almacenamiento obtenidas de ensayos de bombeo interpretados con el método de Cooper-Jacob, Sest, y (c) mediciones de valores de transmisividad puntuales, T. La capacidad de la metodología para delinear correctamente zonas de captura se evalúa a través de estimaciones (krigeado simple y ordinario) y simulaciones secuenciales gausianas basadas en diferentes conjuntos de medidas.En tercer lugar, se ha desarrollado una metodología, llamada método del doble punto de inflexión (DIP), para la interpretación de pruebas de bombeo en acuíferos semiconfinados. La ventaja de este método (DIP) se observa en acuíferos heterogéneos, cuando se aplica junto a las demás metodologías. En estos casos cada método proporciona información diferente acerca de la heterogeneidad. En particular, la combinación del método DIP y el método de Hantush permite identificar contrastes entre la transmisividad local (cerca del pozo) y la transmisividad equivalente del acuífero.En cuarto lugar, se utiliza el método de Monte Carlo para evaluar el significado de los parámetros hidráulicos estimados de ensayos de bombeo en acuíferos semiconfinados. Dichos parámetros resultan ser espacialmente dependientes y varían en función del método de interpretación, ya que cada método pondera de forma distinta diferentes partes de la curva de descensos. Por último, se muestra que al combinar las estimaciones de los parámetros obtenidos a partir de los diferentes procedimientos de análisis, se puede inferir información sobre la heterogeneidad del sistema.En quinto lugar, se modela el flujo no saturado en un dique de estériles utilizando un modelo basado en funciones de transferencia. La calibración del modelo proporciona información sobre el tiempo característico del flujo a través de la matriz y de la fracción de agua que se canaliza a través de los macroporos. Por último se presenta un análisis de la influencia de la escala en los resultados. A gran escala el comportamiento del sistema tiende al de un sistema-matriz homogéneo equivalente,enmascarando los efectos del flujo preferencial.

    Heterogeneity is a salient feature of every natural geological formation. In the past decades a large body of literature has focused on the effects of heterogeneity on flow and transport problems. These works have substantially improved the understanding of flow and transport phenomena but still fail to characterize many of the important features of an aquifer. Among them, preferential flows and solute paths, connectivity between two points of an aquifer, and interpretation of hydraulic and tracer tests in heterogeneous media are crucial points that need to be properly assessed to obtain accurate model predictions. In this context, the aim of this thesis is twofold:· to improve the understanding of the effects of heterogeneity on flow and transport phenomena· to provide new tools for characterizing aquifer heterogeneityFirst, we start by theoretically and numerically examine the relationship between two indicators of flow and transport connectivity. The flow connectivity indicator used here is based on the time elapsed for hydraulic response in a pumping test (e.g., the storage coefficient estimated by the Cooper-Jacob method, Sest). Regarding transport, we select the estimated porosity from the observed breakthrough curve (Φ est) in a forced-gradient tracer test. Our results allow explaining the poor correlation between these two indicators, already observed numerically by Knudby and Carrera (2005).Second, a geostatistical framework has been developed to delineate connectivity patterns using a limited and sparse number of measurements. The methodology allows conditioning the results to three types of data measured over different scales, namely: (a) travel times of convergent tracer tests, ta, (b) estimates of the storage coefficient from pumping tests interpreted using the Cooper-a Jacob method, S est, and (c) measurements of transmissivity point values, T. The ability of the methodology to properly delineate capture zones is assessed through estimations (i.e. ordinary cokriging) and sequential gaussian simulations based on different sets of measurements.Third, a novel methodology for the interpretation of pumping tests in leaky aquifer systems, referred to as the double inflection point (DIP) method, is presented. The real advantage of the DIP method comes when it is applied with all the existing methods independently to a test in a heterogeneous aquifer. In this case each method yields parameter values that are weighted differently, and thus each method provides different information about the heterogeneity distribution. In particular, the combination of the DIP method and Hantush method is shown to lead to the identification of contrasts between the local transmissivity in the vicinity of the well and the equivalent transmissivity of the perturbed aquifer volume.Fourth, the meaning of the hydraulic parameters estimated from pumping test performed in leaky aquifers is assessed numerically within a Monte Carlo framework. A synthetic pumping test is interpreted using three existing methods. The resulting estimated parameters are shown to be space dependent and vary with the interpretation method, since each method gives different emphasis to different parts of the timedrawdown data. Finally, we show that by combining the parameter estimates obtained from the different analysis procedures, information about the heterogeneity of the leaky aquifer system may be inferred.Fifth, an unsaturated highly heterogeneous waste rock pile is modeled using a simple linear transfer function (TF) model. The calibration of the parametric model provides information on the characteristic time of the flow through the matrix and on the fraction of the water that, within each section, is channeled through the macropores. An analysis of the influence of the scale on the results is also provided showing that at large scales the behavior of the system tends to that of an equivalent matrix reservoir masking the effects of preferential flow.

  • Upscaling nonreactive solute transport

     Llerar-Meza, Gerónimo
    Defense's date: 2009-06-16
    UPVA
    Theses

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

  • On multicomponent reactive transports in porous media: From the natural complexity to analitycal solutions

     Donado Garzón, Leonardo David
    Defense's date: 2009-10-05
    Department of Geotechnical Engineering and Geo-Sciences, Universitat Politècnica de Catalunya
    Theses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • GRUP HIDROLOGIA SUBTERRANEA

     Candela, Lucila; Jimenez Martinez, Joaquin; Batlle Pifarre, Francisco; Barbieri, Manuela; Fernandez Garcia, Daniel; Medina Sierra, Agustin; Saaltink, Maarten Willem; Bolster, Diogo; Martinez Landa, Lourdes; Vázquez Suñé, Enric; Pedretti, Daniele; Velasco Mansilla, Domitila Violeta; Custodio Gimena, Emilio; Dentz, Marco; Carrera Ramírez, Jesús; Jódar Bermúdez, Jorge; Castro Ledesma, Adolfo; Valhondo Gonzalez, Cristina; Silva Rojas, Orlando Enrique; Gogu, Constantin Radu; Pool Ramirez, Maria; de Pourcq, Katrien; Pujades Garnes, Estanislao; Vilarrasa Riaño, Victor; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Participation in a competitive project

     Share

  • 9ª jornadas de investigación de la zona no saturada del suelo. Barcelona 2009

     Saaltink, Maarten Willem; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Participation in a competitive project

     Share

  • JORNADAS DE INVESTIGACION EN LA ZONA NO SATURADA DEL SUELO

     Saaltink, Maarten Willem; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Participation in a competitive project

     Share

  • Conditional probability density functions of concentrations for mixing-controlled reactive transport in heterogeneous aquifers

     Sanchez Vila, Francisco Javier; Guadagnini, A; Fernàndez-Garcia, D; Fernandez Garcia, Daniel
    Mathematical geosciences
    Date of publication: 2009-03
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Upscaling transport with mass transfer models: mean behavior and propagation of uncertainty

     Llezar-Meza, G; Fernàndez-Garcia, D; Fernandez Garcia, Daniel; Hernández, Gómez J J
    Water resources research
    Date of publication: 2009-10
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Premio Alfons Bayó (Tercera Edición)

     Fernandez Garcia, Daniel
    Award or recognition

     Share

  • Journal of hydrology

     Fernandez Garcia, Daniel
    Collaboration in journals

     Share

  • The interplay of tidal fluctuations and physical hetreogeneity on seawater intrusion

     Fernandez Garcia, Daniel
    20TH Salt Water Intrusion Meeting (SWIM)
    Presentation's date: 2008-06-22
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Modeling Multirate Mass Transfer Processes And Multicomponent Reactive Transport with particle tracking

     Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    American Geophysical Union Fall Meeting
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Evaluation of reaction rates and conditional PDFs of concentrations for Mixing-controlled reactive transport in heterogenous aquifers

     Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    American Geophysical Union Fall Meeting
    Presentation of work at congresses

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Reaction rates and effective parameters in stratified aquifers

     Fernàndez-Garcia, D; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier; Guadagnini, A
    Advances in water resources
    Date of publication: 2008-10
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Point-to-point connectivity, an abstract concept or a key issue for risk assessment studies

     Trinchero, P; Sanchez Vila, Francisco Javier; Fernàndez-Garcia, D; Fernandez Garcia, Daniel
    Advances in water resources
    Date of publication: 2008-09
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window

  • Relative importance of geostatistical and transport models in describing heavily tailed breakthrough curves at Lauswiesen site

     Riva, M; Guadagnini, A; Fernàndez-Garcia, D; Fernandez Garcia, Daniel; Sanchez Vila, Francisco Javier
    Journal of contaminant hydrology
    Date of publication: 2008-07
    Journal article

     Share Reference managers Reference managers Open in new window