Identifying Stagnation Zones and Reverse Flow Caused by River-Aquifer Interaction: An Approach Based on Polynomial Chaos Expansions

Fluctuating stream stages and peak-flow events can significantly influence the interactions between streams and aquifers and modify the hydraulic gradient, the flux exchange and the subsurface flow paths. As a result, stagnation zones and reverse flow may appear in different parts of an aquifer and at different times. These features of the flow field play a relevant role in the transport, transformation, and residence time of solutes, pollutants, and nutrients in the subsurface. However, their identification using numerical models is complex not only because of highly nonlinear dynamics, but also due to significant uncertainties in the model input data which propagate into the quantities of interest. In this work, we use an approach based on polynomial chaos expansions to map the probability of occurrence of stagnation zones and reverse flow during a flood event. We quantify the propagation of uncertainty into the groundwater flow field due to the applied river boundary conditions. Then, we evaluate the responses of the posterior probabilities in an element-wise fashion using a set of flow classification criteria and kernel density estimations. The proposed methodology is flexible because it employs a nonintrusive pseudo-spectral technique and, consequently, it can be applied straightforwardly in preexisting models. The regions near the confluence of two streams in the studied area are prone to present transient stagnation and reverse flow.publishedVersio

Enhancing the information content of geophysical data for nuclear site characterisation

Our knowledge and understanding to the heterogeneous structure and processes occurring in the Earth’s subsurface is limited and uncertain. The above is true even for the upper 100m of the subsurface, yet many processes occur within it (e.g. migration of solutes, landslides, crop water uptake, etc.) are important to human activities. Geophysical methods such as electrical resistivity tomography (ERT) greatly improve our ability to observe the subsurface due to their higher sampling frequency (especially with autonomous time-lapse systems), larger spatial coverage and less invasive operation, in addition to being more cost-effective than traditional point-based sampling. However, the process of using geophysical data for inference is prone to uncertainty. There is a need to better understand the uncertainties embedded in geophysical data and how they translate themselves when they are subsequently used, for example, for hydrological or site management interpretations and decisions. This understanding is critical to maximize the extraction of information in geophysical data. To this end, in this thesis, I examine various aspects of uncertainty in ERT and develop new methods to better use geophysical data quantitatively. The core of the thesis is based on two literature reviews and three papers. In the first review, I provide a comprehensive overview of the use of geophysical data for nuclear site characterization, especially in the context of site clean-up and leak detection. In the second review, I survey the various sources of uncertainties in ERT studies and the existing work to better quantify or reduce them. I propose that the various steps in the general workflow of an ERT study can be viewed as a pipeline for information and uncertainty propagation and suggested some areas have been understudied. One of these areas is measurement errors. In paper 1, I compare various methods to estimate and model ERT measurement errors using two long-term ERT monitoring datasets. I also develop a new error model that considers the fact that each electrode is used to make multiple measurements. In paper 2, I discuss the development and implementation of a new method for geoelectrical leak detection. While existing methods rely on obtaining resistivity images through inversion of ERT data first, the approach described here estimates leak parameters directly from raw ERT data. This is achieved by constructing hydrological models from prior site information and couple it with an ERT forward model, and then update the leak (and other hydrological) parameters through data assimilation. The approach shows promising results and is applied to data from a controlled injection experiment in Yorkshire, UK. The approach complements ERT imaging and provides a new way to utilize ERT data to inform site characterisation. In addition to leak detection, ERT is also commonly used for monitoring soil moisture in the vadose zone, and increasingly so in a quantitative manner. Though both the petrophysical relationships (i.e., choices of appropriate model and parameterization) and the derived moisture content are known to be subject to uncertainty, they are commonly treated as exact and error‐free. In paper 3, I examine the impact of uncertain petrophysical relationships on the moisture content estimates derived from electrical geophysics. Data from a collection of core samples show that the variability in such relationships can be large, and they in turn can lead to high uncertainty in moisture content estimates, and they appear to be the dominating source of uncertainty in many cases. In the closing chapters, I discuss and synthesize the findings in the thesis within the larger context of enhancing the information content of geophysical data, and provide an outlook on further research in this topic

Atti del XXXV Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche

La XXXV edizione del Convegno Nazionale di Idraulica e Costruzioni Idrauliche (IDRA16), co-organizzata dal Gruppo Italiano di Idraulica (GII) e dal Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica, Ambientale, e dei Materiali (DICAM) dell’Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, si è svolta a Bologna dal 14 al 16 settembre 2016. Il Convegno Nazionale è tornato pertanto ad affacciarsi all’ombra del “Nettuno”, dopo l’edizione del 1982 (XVIII edizione). Il titolo della XXXV edizione, “Ambiente, Risorse, Energia: le sfide dell’Ingegneria delle acque in un mondo che cambia”, sottolinea l’importanza e la complessità delle tematiche che rivestono la sfera dello studio e del governo delle risorse idriche. Le sempre più profonde interconnessioni tra risorse idriche, sviluppo economico e benessere sociale, infatti, spronano sia l’Accademia che l’intera comunità tecnico-scientifica nazionale ed internazionale all’identificazione ed alla messa in atto di strategie di gestione innovative ed ottimali: sfide percepite quanto mai necessarie in un contesto ambientale in continua evoluzione, come quello in cui viviamo. La XXXV edizione del Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, pertanto, si è posta come punto d’incontro della comunità tecnico-scientifica italiana per la discussione a tutto tondo di tali problematiche, offrendo un programma scientifico particolarmente ricco e articolato, che ha coperto tutti gli ambiti riconducibili all’Ingegneria delle Acque. L’apertura dei lavori del Convegno si è svolta nella storica cornice della Chiesa di Santa Cristina, uno dei luoghi più caratteristici e belli della città ed oggi luogo privilegiato per l’ascolto della musica classica, mentre le attività di presentazione e discussione scientifica si sono svolte principalmente presso la sede della Scuola di Ingegneria e Architettura dell’Università di Bologna sita in Via Terracini. Il presente volume digitale ad accesso libero (licenza Creative Commons 4.0) raccoglie le memorie brevi pervenute al Comitato Scientifico di IDRA16 ed accettate per la presentazione al convegno a valle di un processo di revisione tra pari. Il volume articola dette memorie in sette macro-tematiche, che costituiscono i capitoli del volume stesso: I. meccanica dei fluidi; II. ambiente marittimo e costiero; III. criteri, metodi e modelli per l’analisi dei processi idrologici e la gestione delle acque; IV. gestione e tutela dei corpi idrici e degli ecosistemi; V. valutazione e mitigazione del rischio idrologico e idraulico; VI. dinamiche acqua-società: sviluppo sostenibile e gestione del territorio; VII. monitoraggio, open-data e software libero. Ciascuna macro-tematica raggruppa più sessioni specialistiche autonome sviluppatesi in parallelo durante le giornate del Convegno, i cui titoli vengono richiamati all’interno del presente volume. La vastità e la diversità delle tematiche affrontate, che ben rappresentano la complessità delle numerose sfide dell’Ingegneria delle Acque, appaiono evidenti dalla consultazione dell’insieme di memorie brevi presentate. La convinta partecipazione della Comunità Scientifica Italiana è dimostrata dalle oltre 350 memorie brevi, distribuite in maniera pressoché uniforme tra le sette macro-tematiche di riferimento. Dette memorie sono sommari estesi di lunghezza variabile redatti in lingua italiana, o inglese. In particolare, la possibilità di stesura in inglese è stata concessa con l’auspicio di portare la visibilità del lavoro presentato ad un livello sovranazionale, grazie alla pubblicazione open access del volume degli Atti del Convegno. Il volume si divide in tre parti: la parte iniziale è dedicata alla presentazione del volume ed all’indice generale dei contributi divisi per macro-tematiche; la parte centrale raccoglie le memorie brevi; la terza parte riporta l’indice analitico degli Autori, che chiude il volume