GIS platform for management of shallow geothermal resources

Premi extraordinari doctorat UPC curs 2015-2016, àmbit d’Enginyeria CivilThis thesis promotes an efficient use of shallow geothermal energy by means of an integrated management system to organize its exploitation. Shallow geothermal energy is a renewable resource based on thermal energy exchange with the ground. Due to the growth in demand for this energy, the development of management techniques to organize the exploitation of this resource is mandatory to protect both groundwater and the users' rights. Shallow geothermal performance of underground is closely related to groundwater behavior, so it is necessary to understand and improve the knowledge about it. Thus, an integrated methodology is proposed for the 3D visualization of underground resources related to groundwater. A set of tools named HEROS3D was developed in a GIS environment to support the generation of 3D entities representing geological, hydrogeological, hydrochemical and geothermal features. The GIS technology also gives a wide-ranging support to environmental modeling, either conceptual or numerical, especially to groundwater modeling. However, there is a scarcity of tools to implement the conceptual model in numerical modeling platforms. This transition needs of specific methodologies to adapt the geometries and alpha-numerical data from the conceptual model to the numerical model to get optimal numerical results. Although most necessities can be satisfied with inherent GIS tools, there are particular steps in the implementation of hydrogeological conceptual model into the numerical modeling software that have not been solved yet. To overcome this gap, a set of tools is presented, named ArcArAz. It focuses on the configuration of geometry and parameterization for groundwater numerical models. Once both the hydrogeological conceptual model and the numerical model are defined, a solid basis for management of Shallow Geothermal energy is available. This thesis proposes two methodologies for the management of this energy resource at two different scales: for a regional scale and for a metropolitan scale. The first GIS methodology provides a response to the need for a regional quantification of the geothermal potential that can be extracted by Boreholes Heat Exchangers and its associated environmental impacts. For the first time, advection and dispersion heat transport mechanisms and the temporal evolution from the start of operation of the BHE are considered in the regional estimation of the variables of interest. A sensitivity analysis leads to the conclusion that the consideration of dispersion effects and temporal evolution of the exploitation prevent significant differences up to a factor 2.5 in the heat exchange rate accuracy and up to several orders of magnitude in the impacts generated. To deepen the management of Shallow Geothermal Energy, this thesis proposes to establish a market of shallow geothermal energy use rights which would allow managing this resource at a metropolitan scale. This methodology is based on a GIS framework and is composed of a geospatial database to store the main information required to manage the installations and a set of GIS tools used to define, implant and control this use rights market. Thermal impacts derived from the exploitation of this resource can also be registered geographically, by taking into account the groundwater flow direction and adjusting the thermal impact to the available plot.Esta tesis promueve el uso eficiente de la geotermia somera a través de un sistema integrado de gestión de este recurso. La geotermia somera es un recurso renovable que se basa en el intercambio de energía con el suelo. Los Intercambiadores de calor, o Borehole Heat Exchangers (BHEs) se están popularizando como sistema para explotarla. Debido al crecimiento en la demanda de geotermia somera, es imprescindible establecer una gestión integrada de este recurso para organizar su explotación y proteger tanto a las aguas subterráneas como a los beneficiarios de esta energía renovable. Debido a que la geotermia somera está íntimamente relacionada con el comportamiento de las aguas subterráneas, es imprescindible ahondar y mejorar su conocimiento. Para ello, se propone una metodología para la visualización tridimensional de los recursos subterráneos relacionados con la hidrogeología. Se ha desarrollado un conjunto de herramientas, llamado HEROS3D, en un entorno SIG. Estas herramientas facilitan la creación de entidades tridimensionales que representan datos geológicos, hidrogeológicos, hidrogeoquímicos y geotermales. Están relacionadas con una base de datos donde tanto la información bruta como la interpretada se encuentran almacenadas. La tecnología SIG también da soporte, no sólo a la modelación conceptual, sino también a la numérica, especialmente en el caso de la hidrogeología. Para facilitar la implementación de los modelos conceptuales en las plataformas de modelación numérica, esta tesis presenta un segundo conjunto de herramientas llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización. Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización. Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local. La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados. Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponible una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local. La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados. Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponibleAward-winningPostprint (published version

Laboratory experiments to evaluate the joint effect between heterogeneity and head fluctuation on mixing, effective porosity and tailing

Tracer visualization in the laboratory at high spatial and temporal resolution can help advance the study of mixing processes. However, grain borders, fluctuations in lighting and non-uniform brightness contribute to produce noisy images of concentrations that cannot be used to directly estimate mixing at the local scale. We present a new methodology to visualize local values of mixing from noisy images of optical tracers based on a nonparametric regression algorithm. The methodology is used to provide a full visualization of the mixing dynamics that occur in a tracer experiment performed in a reconstructed heterogeneous aquifer consisting of two materials with contrasting hydraulic properties. Results show that the method is capable of providing optimal images of mixing of high quality even at complex material edges between bodies of different sand. In transport problems, dispersivity control the mixing. Understand the behaviour of this parameter allow characterizing the mixing. Characterize this parameter is complex due to the heterogeneity and the spatial and temporal fluctuations, in that many assumptions (about the definition of dispersion, how to represent it locally, and how to handle medium heterogeneities or velocity fluctuations) are required to make it tractable. Surprisingly the results go in opposite directions. All agree that fluctuations of velocity transverse to the mean flow direction enhance transverse dispersion; some authors conclude that the enhancement is very large; others conclude that it is not so important. Researchers generally agree the effects of velocity fluctuations on longitudinal dispersion is much smaller than on transverse dispersion. However, they have found it to decrease. Others increase, others remain unchanged ironically, and despite of all the above research, little experimental work has been performed. For this reason, we presents an experiment specifically aimed at evaluating the effect of temporal fluctuations of velocity on transport through a heterogeneous medium and, specifically, on dispersion, mobile porosity and tailing. The results show that Flow fluctuations can enhance transverse mixing and mobile porosity. These phenomena transfer more mass to the plume front, which is now more mobile, and to the low permeability inclusions. As a result, the apparent longitudinal macrodispersion coefficient is substantially increased due to flow fluctuations. Experimental results determined that the effect of flow fluctuations is maximum (enhancement of transverse mixing and macrodispersion) when the kubo number is close to one. Coastal aquifers are complex zones due to the combined influences of heterogeneity (scale, shape or structure of the aquifer), inland groundwater forces and oceanic oscillations. These produce complex hydrodynamic that effect the location, shape and extent of the dispersion zone. The dynamics (fluctuations, width, and location) of the mixing zone between freshwater and seawater in coastal aquifers is essential for detailed understanding of seawater intrusion and bio-geo-chemical processes. Yet, results to date are contradictory. We perform seawater intrusion experiments heterogeneous sand box subject to groundwater flow oscillations. We find that the coupling of heterogeneity and fluctuations leads to complex flow patterns. Freshwater may flow beneath saltwater isolated in low permeability zones when the seawater wedge recedes, but itself become surrounded by seawater when the wedge advances landwards. Fluctuations also disrupt the traditional seawater convection cell, with most of the seawater flow being horizontal, and mixed water displaying some vertical component back to the sea when the seawater wedge recedes seawards. As a result, the mixing zone becomes broad when seawater advances, but narrows down when it recedes. Surprisingly, despite all this complexity the average center of mass of the wedge is very similar to that of the steady-state wedge.El transporte en un medio heterogéneo sometido a actuaciones temporales del campo de velocidades está siendo objeto de varias investigaciones, ya que los flujos de agua subterránea varían naturalmente en el tiempo (ciclos de evapotranspiración, variaciones estacionales en la lluvia, secuencias de años secos y húmedos o fluctuaciones locales por los bombeos, etc.) y por qué es intuitivo que las fluctuaciones temporales de la velocidad deberían mejorar la mezcla y dispersión del soluto. La mezcla se reconoce cada vez más como el proceso crítico para comprender y modelar el transporte reactivo. Sin embargo, como la mezcla está altamente influenciada por la variabilidad espacial de la velocidad y depende no linealmente de las concentraciones, su caracterización por ahora está lejos de ser la óptima. La visualización de un trazador en el laboratorio a alta resolución espacial y temporal puede ayudar a avanzar en el estudio de los procesos de mezcla. Sin embargo, los bordes irregulares de los granos de arena, las fluctuaciones en la iluminación y el brillo no uniforme contribuyen a producir imágenes con ruido en las concentraciones que finalmente no se pueden ser usar para estimar directamente la mezcla a una escala local. Presentamos una nueva metodología para visualizar los valores locales de la mezcla a partir de imágenes con el ruido proveniente de trazadores ópticos basados en un algoritmo de regresión no paramétrico. La metodología se utiliza para proporcionar una visualización de la dinámica de la mezcla que se produce en un experimento con un trazador óptico realizado en un acuífero heterogéneo construido en laboratorio que consta de dos materiales con contraste en sus propiedades hidráulicas. Los resultados muestran que el método es capaz de proporcionar imágenes óptimas de la mezcla de una alta calidad incluso en las zonas donde se localizan los bordes de materiales complejos como entre cuerpos de arena diferente. En los problemas de transporte, la dispersividad controla la mezcla. Por lo tanto, comprender el comportamiento de este parámetro permitiría caracterizar la mezcla. Caracterizar este parámetro es complejo debido a la heterogeneidad y las fluctuaciones espaciales y temporales, de hecho, una cantidad de suposiciones (sobre la definición de la dispersión, cómo representarlo localmente y cómo manejar el medio o las fluctuaciones de la velocidad) son requeridas para hacer manejable el problema. Sorprendentemente, los resultados van en direcciones opuestas. Todos coinciden en que las fluctuaciones de la velocidad transversal a la dirección media del flujo mejoran la dispersión transversal, algunos autores concluyen que la mejora es muy grande, otros concluyen que no es tan importante. Los investigadores generalmente están de acuerdo en que los efectos de las fluctuaciones de la velocidad sobre la dispersión longitudinal son mucho más pequeños que en la dispersión transversal. Pero ellos han encontrado que disminuye. Otros que aumenta, otros que permanece sin cambios. Irónicamente, a pesar de todas las investigaciones anteriores, se ha realizado poco trabajo experimental. Por esta razón, presentamos un experimento específicamente dirigido a evaluar el efecto de las fluctuaciones temporales de la velocidad en el transporte a través de un medio heterogéneo y, específicamente, en la dispersión, la porosidad móvil y las colas. Los resultados muestran que las fluctuaciones en los flujos pueden mejorar la mezcla transversal y la porosidad móvil. Estos fenómenos transfieren más masa al frente de la pluma, que ahora, es más móvil en las inclusiones de baja permeabilidad. Como resultado, el coeficiente de macrodispersión longitudinal aparente aumenta sustancialmente debido a las fluctuaciones del flujo. Los resultados experimentales determinaron que el efecto de las fluctuaciones de flujo es máximo (mejora de la mezcla transversal y macrodispersión) cuando el número de kubo está cerca de uno. Los acuíferos costeros son zonas complejas debido a la influencia que se tiene entre de la heterogeneidad (escala, forma o estructura del acuífero), las fuerzas de las aguas subterráneas continentales y las oscilaciones oceánicas. Esta interacción produce una hidrodinámica compleja que afecta la ubicación, la forma y la extensión de la zona de dispersión. La dinámica (fluctuaciones, ancho y ubicación) de la zona de mezcla entre el agua dulce y el agua de mar en los acuíferos costeros es esencial para una comprensión detallada de la intrusión marina y los procesos bio-geoquímicos. Sin embargo, los resultados hasta la fecha son algo contradictorios. Por este motivo, realizamos experimentos de intrusión marina en una caja de arena heterogénea sujeta a oscilaciones en el flujo de agua subterránea. Encontramos que el acoplamiento entre la heterogeneidad y las fluctuaciones conduce a patrones de flujo complejos. El agua dulce puede fluir debajo del agua salada aislada en zonas de baja permeabilidad cuando la cuña de agua de mar retrocede, pero en sí misma queda rodeada de agua de mar cuando la cuña avanza hacia el interior. Las fluctuaciones también interrumpen la celda tradicional de convección de agua de mar, ya que la mayor parte del flujo de agua de mar es horizontal, y el agua mezclada muestra algún componente vertical de regreso al mar cuando la cuña de agua de mar retrocede hacia el mar. Como resultado, la zona de mezcla se ensancha cuando avanza el agua de mar. pero se estrecha cuando retrocede. Sorprendentemente, a pesar de toda esta complejidad, el centro de masa promedio de la cuña es muy similar al de la cuña en estado estacionarioEl transport en mitjans heterogenis sota camps de velocitat temporalment fluctuant ha estat objecte de molta investigació tant perquè els fluxos d'aigües subterrànies varien de forma natural en el temps (cicles d'evapotranspiració, variacions estacionals de precipitacions, seqüències d'anys secs i humits o fluctuacions de bombeig) i perquè és intuïtiu les fluctuacions temporals de la velocitat haurien de millorar la barreja i la dispersió del solut. La mesura es reconeix cada cop més com el procés crític per comprendre i modelar el transport reactiu. Tanmateix, atès que la barreja està molt influenciada per la variabilitat espacial de la velocitat i depèn no linealment de les concentracions, la seva caracterització adequada queda lluny de ser òptima. La visualització del traçador al laboratori amb una alta resolució espacial i temporal pot ajudar a avançar en l'estudi dels processos de mescla. Tanmateix, els límits del gra, les fluctuacions de la il·luminació i la brillantor no uniforme contribueixen a produir imatges sorolloses de concentracions que no es poden utilitzar per estimar directament la barreja a escala local. Presentem una nova metodologia per visualitzar valors locals de barreja a partir d'imatges sorolloses de traçadors òptics basats en un algorisme de regressió no paramètrica. La metodologia s'utilitza per proporcionar una visualització completa de la dinàmica de mescla que es produeix en un experiment de traçador realitzat en un aqüífer heterogeni reconstruït que consta de dos materials amb propietats hidràuliques contrastants. Els resultats mostren que el mètode és capaç de proporcionar imatges òptimes de mescla d'alta qualitat fins i tot en vores de material complex entre cossos de sorra diferent. En els problemes de transport, la dispersió controla la barreja. Comprendre el comportament d'aquest paràmetre permet caracteritzar la barreja. Caracteritzar aquest paràmetre és complex a causa de l'heterogeneïtat i les fluctuacions espacials i temporals. En aquest cas, molts supòsits (sobre la definició de dispersió, com representar-lo localment i com manejar el mitjà heterogeneïtats o fluctuacions de la velocitat) per fer que sigui tractable. Sorprenentment, els resultats van en direccions oposades. Tots coincideixen que les fluctuacions de la velocitat transversals a la direcció mitjana del flux augmenten la dispersió transversal, alguns autors conclouen que la millora és molt gran, altres conclouen que no és tan important. Els investigadors generalment estan d'acord que els efectes de les fluctuacions de la velocitat en la dispersió longitudinal són molt més petits que en la dispersió transversal. Però el van trobar que es va reduir. Els altres augmenten, altres romanen sense canvis. Irònicament, malgrat tota la investigació anterior, s'ha realitzat poc treball experimental. Per aquest motiu, es presenta un experiment específicament destinat a avaluar l'efecte de les fluctuacions temporals de la velocitat en el transport a través d'un mitjà heterogeni i, específicament, en la dispersió, la porositat mòbil i el tailing. Els resultats mostren que el mètode és capaç de proporcionar imatges òptimes de mescla d'alta qualitat fins i tot en vores de material complex entre cossos de sorra diferent. Els aqüífers costaners són zones complexes a causa de les influències combinades d'heterogeneïtat (escala, forma o estructura de l'aqüífer), forces d'aigua subterrànies i oscil·lacions oceàniques. Aquests productes produeixen hidrodinàmica complexa que condiciona la ubicació, la forma i l'extensió de la zona de dispersió. La dinàmica (fluctuacions, amplada i ubicació) de la zona de barreja entre aigua dolça i aigua de mar en aqüífers costaners és essencial per a una comprensió detallada de la intrusió de l'aigua marina i els processos bioquimicoquímics. Tot i així, els resultats fins a la data són una cosa contradictoris. Realitzem experiments d'intrusió d'aigua marina, heterogènia caixa de sorra subjecte a oscil·lacions de flux d'aigües subterrànies. Trobem que l'acoblament de l'heterogeneïtat i les fluctuacions condueix a patrons de flux complex. L'aigua dolça pot fluir sota aigua salada aïllada en zones de baixa permeabilitat quan la falca de l'aigua marina es retira, però es troba envoltada d'aigua de mar quan la falca avança cap a terra. Les fluctuacions també interrompen la cèl·lula tradicional de convecció de l'aigua de mar, ja que la major part del flux d'aigua de mar és horitzontal i l'aigua mixta que mostra un component vertical al mar quan la falca de mar se separa. Com a resultat, la zona de barreja es fa àmplia quan avança l'aigua del mar, però es redueix quan es retira. Sorprenentment, malgrat tota aquesta complexitat, el centre mitjà de massa de la falca és molt similar al de la falca d'estat estable.Postprint (published version

Aquifer Heterogeneity Characterization with Oscillatory Pumping: Sensitivity Analysis and Imaging Potential

[1] Periodic pumping tests, in which a fluid is extracted during half a period, then reinjected, have been used historically to estimate effective aquifer properties. In this work, we suggest a modified approach to periodic pumping test analysis in which one uses several periodic pumping signals of different frequencies as stimulation, and responses are analyzed through inverse modeling using a “steady-periodic” model formulation. We refer to this strategy as multifrequency oscillatory hydraulic imaging. Oscillating pumping tests have several advantages that have been noted, including no net water extraction during testing and robust signal measurement through signal processing. Through numerical experiments, we demonstrate additional distinct advantages that multifrequency stimulations have, including: (1) drastically reduced computational cost through use of a steady-periodic numerical model and (2) full utilization of the aquifer heterogeneity information provided by responses at different frequencies. We first perform fully transient numerical modeling for heterogeneous aquifers and show that equivalent results are obtained using a faster steady-periodic heterogeneous numerical model of the wave phasor. The sensitivities of observed signal response to aquifer heterogeneities are derived using an adjoint state-based approach, which shows that different frequency stimulations provide complementary information. Finally, we present an example 2-D application in which sinusoidal signals at multiple frequencies are used as a data source and are inverted to obtain estimates of aquifer heterogeneity. These analyses show the different heterogeneity information that can be obtained from different stimulation frequencies, and that data from several sinusoidal pumping tests can be rapidly inverted using the steady-periodic framework

Management and display of four-dimensional environmental data sets using McIDAS

Over the past four years, great strides have been made in the areas of data management and display of 4-D meteorological data sets. A survey was conducted of available and planned 4-D meteorological data sources. The data types were evaluated for their impact on the data management and display system. The requirements were analyzed for data base management generated by the 4-D data display system. The suitability of the existing data base management procedures and file structure were evaluated in light of the new requirements. Where needed, new data base management tools and file procedures were designed and implemented. The quality of the basic 4-D data sets was assured. The interpolation and extrapolation techniques of the 4-D data were investigated. The 4-D data from various sources were combined to make a uniform and consistent data set for display purposes. Data display software was designed to create abstract line graphic 3-D displays. Realistic shaded 3-D displays were created. Animation routines for these displays were developed in order to produce a dynamic 4-D presentation. A prototype dynamic color stereo workstation was implemented. A computer functional design specification was produced based on interactive studies and user feedback

3D modelling of the dolerite dyke network within the Siilinjärvi phosphate deposit

Non peer reviewe

Laboratory experiments to evaluate the joint effect between heterogeneity and head fluctuation on mixing, effective porosity and tailing

Tracer visualization in the laboratory at high spatial and temporal resolution can help advance the study of mixing processes. However, grain borders, fluctuations in lighting and non-uniform brightness contribute to produce noisy images of concentrations that cannot be used to directly estimate mixing at the local scale. We present a new methodology to visualize local values of mixing from noisy images of optical tracers based on a nonparametric regression algorithm. The methodology is used to provide a full visualization of the mixing dynamics that occur in a tracer experiment performed in a reconstructed heterogeneous aquifer consisting of two materials with contrasting hydraulic properties. Results show that the method is capable of providing optimal images of mixing of high quality even at complex material edges between bodies of different sand. In transport problems, dispersivity control the mixing. Understand the behaviour of this parameter allow characterizing the mixing. Characterize this parameter is complex due to the heterogeneity and the spatial and temporal fluctuations, in that many assumptions (about the definition of dispersion, how to represent it locally, and how to handle medium heterogeneities or velocity fluctuations) are required to make it tractable. Surprisingly the results go in opposite directions. All agree that fluctuations of velocity transverse to the mean flow direction enhance transverse dispersion; some authors conclude that the enhancement is very large; others conclude that it is not so important. Researchers generally agree the effects of velocity fluctuations on longitudinal dispersion is much smaller than on transverse dispersion. However, they have found it to decrease. Others increase, others remain unchanged ironically, and despite of all the above research, little experimental work has been performed. For this reason, we presents an experiment specifically aimed at evaluating the effect of temporal fluctuations of velocity on transport through a heterogeneous medium and, specifically, on dispersion, mobile porosity and tailing. The results show that Flow fluctuations can enhance transverse mixing and mobile porosity. These phenomena transfer more mass to the plume front, which is now more mobile, and to the low permeability inclusions. As a result, the apparent longitudinal macrodispersion coefficient is substantially increased due to flow fluctuations. Experimental results determined that the effect of flow fluctuations is maximum (enhancement of transverse mixing and macrodispersion) when the kubo number is close to one. Coastal aquifers are complex zones due to the combined influences of heterogeneity (scale, shape or structure of the aquifer), inland groundwater forces and oceanic oscillations. These produce complex hydrodynamic that effect the location, shape and extent of the dispersion zone. The dynamics (fluctuations, width, and location) of the mixing zone between freshwater and seawater in coastal aquifers is essential for detailed understanding of seawater intrusion and bio-geo-chemical processes. Yet, results to date are contradictory. We perform seawater intrusion experiments heterogeneous sand box subject to groundwater flow oscillations. We find that the coupling of heterogeneity and fluctuations leads to complex flow patterns. Freshwater may flow beneath saltwater isolated in low permeability zones when the seawater wedge recedes, but itself become surrounded by seawater when the wedge advances landwards. Fluctuations also disrupt the traditional seawater convection cell, with most of the seawater flow being horizontal, and mixed water displaying some vertical component back to the sea when the seawater wedge recedes seawards. As a result, the mixing zone becomes broad when seawater advances, but narrows down when it recedes. Surprisingly, despite all this complexity the average center of mass of the wedge is very similar to that of the steady-state wedge.El transporte en un medio heterogéneo sometido a actuaciones temporales del campo de velocidades está siendo objeto de varias investigaciones, ya que los flujos de agua subterránea varían naturalmente en el tiempo (ciclos de evapotranspiración, variaciones estacionales en la lluvia, secuencias de años secos y húmedos o fluctuaciones locales por los bombeos, etc.) y por qué es intuitivo que las fluctuaciones temporales de la velocidad deberían mejorar la mezcla y dispersión del soluto. La mezcla se reconoce cada vez más como el proceso crítico para comprender y modelar el transporte reactivo. Sin embargo, como la mezcla está altamente influenciada por la variabilidad espacial de la velocidad y depende no linealmente de las concentraciones, su caracterización por ahora está lejos de ser la óptima. La visualización de un trazador en el laboratorio a alta resolución espacial y temporal puede ayudar a avanzar en el estudio de los procesos de mezcla. Sin embargo, los bordes irregulares de los granos de arena, las fluctuaciones en la iluminación y el brillo no uniforme contribuyen a producir imágenes con ruido en las concentraciones que finalmente no se pueden ser usar para estimar directamente la mezcla a una escala local. Presentamos una nueva metodología para visualizar los valores locales de la mezcla a partir de imágenes con el ruido proveniente de trazadores ópticos basados en un algoritmo de regresión no paramétrico. La metodología se utiliza para proporcionar una visualización de la dinámica de la mezcla que se produce en un experimento con un trazador óptico realizado en un acuífero heterogéneo construido en laboratorio que consta de dos materiales con contraste en sus propiedades hidráulicas. Los resultados muestran que el método es capaz de proporcionar imágenes óptimas de la mezcla de una alta calidad incluso en las zonas donde se localizan los bordes de materiales complejos como entre cuerpos de arena diferente. En los problemas de transporte, la dispersividad controla la mezcla. Por lo tanto, comprender el comportamiento de este parámetro permitiría caracterizar la mezcla. Caracterizar este parámetro es complejo debido a la heterogeneidad y las fluctuaciones espaciales y temporales, de hecho, una cantidad de suposiciones (sobre la definición de la dispersión, cómo representarlo localmente y cómo manejar el medio o las fluctuaciones de la velocidad) son requeridas para hacer manejable el problema. Sorprendentemente, los resultados van en direcciones opuestas. Todos coinciden en que las fluctuaciones de la velocidad transversal a la dirección media del flujo mejoran la dispersión transversal, algunos autores concluyen que la mejora es muy grande, otros concluyen que no es tan importante. Los investigadores generalmente están de acuerdo en que los efectos de las fluctuaciones de la velocidad sobre la dispersión longitudinal son mucho más pequeños que en la dispersión transversal. Pero ellos han encontrado que disminuye. Otros que aumenta, otros que permanece sin cambios. Irónicamente, a pesar de todas las investigaciones anteriores, se ha realizado poco trabajo experimental. Por esta razón, presentamos un experimento específicamente dirigido a evaluar el efecto de las fluctuaciones temporales de la velocidad en el transporte a través de un medio heterogéneo y, específicamente, en la dispersión, la porosidad móvil y las colas. Los resultados muestran que las fluctuaciones en los flujos pueden mejorar la mezcla transversal y la porosidad móvil. Estos fenómenos transfieren más masa al frente de la pluma, que ahora, es más móvil en las inclusiones de baja permeabilidad. Como resultado, el coeficiente de macrodispersión longitudinal aparente aumenta sustancialmente debido a las fluctuaciones del flujo. Los resultados experimentales determinaron que el efecto de las fluctuaciones de flujo es máximo (mejora de la mezcla transversal y macrodispersión) cuando el número de kubo está cerca de uno. Los acuíferos costeros son zonas complejas debido a la influencia que se tiene entre de la heterogeneidad (escala, forma o estructura del acuífero), las fuerzas de las aguas subterráneas continentales y las oscilaciones oceánicas. Esta interacción produce una hidrodinámica compleja que afecta la ubicación, la forma y la extensión de la zona de dispersión. La dinámica (fluctuaciones, ancho y ubicación) de la zona de mezcla entre el agua dulce y el agua de mar en los acuíferos costeros es esencial para una comprensión detallada de la intrusión marina y los procesos bio-geoquímicos. Sin embargo, los resultados hasta la fecha son algo contradictorios. Por este motivo, realizamos experimentos de intrusión marina en una caja de arena heterogénea sujeta a oscilaciones en el flujo de agua subterránea. Encontramos que el acoplamiento entre la heterogeneidad y las fluctuaciones conduce a patrones de flujo complejos. El agua dulce puede fluir debajo del agua salada aislada en zonas de baja permeabilidad cuando la cuña de agua de mar retrocede, pero en sí misma queda rodeada de agua de mar cuando la cuña avanza hacia el interior. Las fluctuaciones también interrumpen la celda tradicional de convección de agua de mar, ya que la mayor parte del flujo de agua de mar es horizontal, y el agua mezclada muestra algún componente vertical de regreso al mar cuando la cuña de agua de mar retrocede hacia el mar. Como resultado, la zona de mezcla se ensancha cuando avanza el agua de mar. pero se estrecha cuando retrocede. Sorprendentemente, a pesar de toda esta complejidad, el centro de masa promedio de la cuña es muy similar al de la cuña en estado estacionarioEl transport en mitjans heterogenis sota camps de velocitat temporalment fluctuant ha estat objecte de molta investigació tant perquè els fluxos d'aigües subterrànies varien de forma natural en el temps (cicles d'evapotranspiració, variacions estacionals de precipitacions, seqüències d'anys secs i humits o fluctuacions de bombeig) i perquè és intuïtiu les fluctuacions temporals de la velocitat haurien de millorar la barreja i la dispersió del solut. La mesura es reconeix cada cop més com el procés crític per comprendre i modelar el transport reactiu. Tanmateix, atès que la barreja està molt influenciada per la variabilitat espacial de la velocitat i depèn no linealment de les concentracions, la seva caracterització adequada queda lluny de ser òptima. La visualització del traçador al laboratori amb una alta resolució espacial i temporal pot ajudar a avançar en l'estudi dels processos de mescla. Tanmateix, els límits del gra, les fluctuacions de la il·luminació i la brillantor no uniforme contribueixen a produir imatges sorolloses de concentracions que no es poden utilitzar per estimar directament la barreja a escala local. Presentem una nova metodologia per visualitzar valors locals de barreja a partir d'imatges sorolloses de traçadors òptics basats en un algorisme de regressió no paramètrica. La metodologia s'utilitza per proporcionar una visualització completa de la dinàmica de mescla que es produeix en un experiment de traçador realitzat en un aqüífer heterogeni reconstruït que consta de dos materials amb propietats hidràuliques contrastants. Els resultats mostren que el mètode és capaç de proporcionar imatges òptimes de mescla d'alta qualitat fins i tot en vores de material complex entre cossos de sorra diferent. En els problemes de transport, la dispersió controla la barreja. Comprendre el comportament d'aquest paràmetre permet caracteritzar la barreja. Caracteritzar aquest paràmetre és complex a causa de l'heterogeneïtat i les fluctuacions espacials i temporals. En aquest cas, molts supòsits (sobre la definició de dispersió, com representar-lo localment i com manejar el mitjà heterogeneïtats o fluctuacions de la velocitat) per fer que sigui tractable. Sorprenentment, els resultats van en direccions oposades. Tots coincideixen que les fluctuacions de la velocitat transversals a la direcció mitjana del flux augmenten la dispersió transversal, alguns autors conclouen que la millora és molt gran, altres conclouen que no és tan important. Els investigadors generalment estan d'acord que els efectes de les fluctuacions de la velocitat en la dispersió longitudinal són molt més petits que en la dispersió transversal. Però el van trobar que es va reduir. Els altres augmenten, altres romanen sense canvis. Irònicament, malgrat tota la investigació anterior, s'ha realitzat poc treball experimental. Per aquest motiu, es presenta un experiment específicament destinat a avaluar l'efecte de les fluctuacions temporals de la velocitat en el transport a través d'un mitjà heterogeni i, específicament, en la dispersió, la porositat mòbil i el tailing. Els resultats mostren que el mètode és capaç de proporcionar imatges òptimes de mescla d'alta qualitat fins i tot en vores de material complex entre cossos de sorra diferent. Els aqüífers costaners són zones complexes a causa de les influències combinades d'heterogeneïtat (escala, forma o estructura de l'aqüífer), forces d'aigua subterrànies i oscil·lacions oceàniques. Aquests productes produeixen hidrodinàmica complexa que condiciona la ubicació, la forma i l'extensió de la zona de dispersió. La dinàmica (fluctuacions, amplada i ubicació) de la zona de barreja entre aigua dolça i aigua de mar en aqüífers costaners és essencial per a una comprensió detallada de la intrusió de l'aigua marina i els processos bioquimicoquímics. Tot i així, els resultats fins a la data són una cosa contradictoris. Realitzem experiments d'intrusió d'aigua marina, heterogènia caixa de sorra subjecte a oscil·lacions de flux d'aigües subterrànies. Trobem que l'acoblament de l'heterogeneïtat i les fluctuacions condueix a patrons de flux complex. L'aigua dolça pot fluir sota aigua salada aïllada en zones de baixa permeabilitat quan la falca de l'aigua marina es retira, però es troba envoltada d'aigua de mar quan la falca avança cap a terra. Les fluctuacions també interrompen la cèl·lula tradicional de convecció de l'aigua de mar, ja que la major part del flux d'aigua de mar és horitzontal i l'aigua mixta que mostra un component vertical al mar quan la falca de mar se separa. Com a resultat, la zona de barreja es fa àmplia quan avança l'aigua del mar, però es redueix quan es retira. Sorprenentment, malgrat tota aquesta complexitat, el centre mitjà de massa de la falca és molt similar al de la falca d'estat estable

Estimating Increased Transient Water Storage With Increases in Beaver Dam Activity

Dam building by beaver (Castor spp.) slows water movement through montane valleys, increasing transient water storage and the diversity of residence times. In some cases, water storage created by beaver dam construction is correlated to changes in streamflow magnitude and timing. However, the total amount of additional surface and groundwater storage that beaver dams may create (and, thus, their maximum potential impact on streamflow) has not been contextualized in the water balance of larger river basins. We estimate the potential transient water storage increases that could be created at 5, 25, 50, and 100% of maximum modeled beaver dam capacity in the Bear River basin, USA, by adapting the height above nearest drainage (HAND) algorithm to spatially estimate surface water storage. Surface water storage estimates were combined with the MODFLOW groundwater model to estimate potential increases in groundwater storage throughout the basin. We tested four scenarios to estimate potential transient water storage increases resulting from the construction of 1179 to 34,897 beaver dams, and estimated surface water storage to range from 57.5 to 72.8 m3 per dam and groundwater storage to range from 182.2 to 313.3 m3 per dam. Overall, we estimate that beaver dam construction could increase transient water storage by up to 10.38 million m3 in the Bear River basin. We further contextualize beaver dam-related water storage increases with streamflow, reservoir, and snowpack volumes

Ono: an open platform for social robotics

In recent times, the focal point of research in robotics has shifted from industrial ro- bots toward robots that interact with humans in an intuitive and safe manner. This evolution has resulted in the subfield of social robotics, which pertains to robots that function in a human environment and that can communicate with humans in an int- uitive way, e.g. with facial expressions. Social robots have the potential to impact many different aspects of our lives, but one particularly promising application is the use of robots in therapy, such as the treatment of children with autism. Unfortunately, many of the existing social robots are neither suited for practical use in therapy nor for large scale studies, mainly because they are expensive, one-of-a-kind robots that are hard to modify to suit a specific need. We created Ono, a social robotics platform, to tackle these issues. Ono is composed entirely from off-the-shelf components and cheap materials, and can be built at a local FabLab at the fraction of the cost of other robots. Ono is also entirely open source and the modular design further encourages modification and reuse of parts of the platform