Modelització del comportament del flux i del transport en un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial

Aquesta tesina conté un resum dels principals processos relacionats amb el flux i amb el transport que succeeixen a l’interior del terreny i, seguidament, una interpretació i modelització d’un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial. Una bassa de recàrrega artificial és una metodologia per a la gestió sostenible de l’aigua, que fins al moment és poc coneguda al nostre país. Consisteix en que a partir de l’adequació d’una bassa amb base permeable, es produeix una infiltració d’aigua de manera contínua i augmenta de manera controlada la quantitat de recàrrega i els recursos hídrics de l’aqüífer. Les reaccions bioquímiques (absorció, degradació, intercanvi catiònic,...) i els processos hidromecàncis (dispersió, filtració,...) que tenen lloc a dins de l’aqüífer també poden ajudar a millorar la qualitat de l’aigua infiltrada. Concretament, la bassa objecte d’estudi es troba en unes instal∙lacions depuradores. D’aquesta manera, sempre es disposa d’un cabal més o menys constant que prové de l’aigua residual que és tractada en aquesta estació. Les condicions del projecte i les característiques de l’aqüífer han permès simplificar el problema mitjançant un model tipus “caixa”. Aquesta modelització s’ha dut a terme mitjançant el CODE_BRIGHT [ETCG, 2010], un programa que es basa en els elements finits, útil per el càlcul de problemes termo‐hidro‐mecànics i desenvolupat pel personal del Departament d’Enginyeria del Terreny, Cartografia i Geofísica de la UPC. També s’ha programat una eina per al càlcul dels temps d’arribada d’un contaminant inert que circula a través de l’aqüífer. D’aquesta manera s’obté el temps que passa des del moment de la infiltració ‐flux a través de la zona no saturada‐ fins que el contaminant en qüestió arriba a un punt que es troba aigües avall, ja en medi saturat. El codi està escrit en llenguatge MATLAB [Magrab, 2000] i va acompanyat d’una interfície gràfica programada amb el GUIDE [Mathworks, 2011] i va acompanyat d’una interfície gràfica programada amb el GUIDE [Mathworks, 2011, que en facilita el seu ús

Modelització del comportament del flux i del transport en un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial

Aquesta tesina conté un resum dels principals processos relacionats amb el flux i amb el transport que succeeixen a l’interior del terreny i, seguidament, una interpretació i modelització d’un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial. Una bassa de recàrrega artificial és una metodologia per a la gestió sostenible de l’aigua, que fins al moment és poc coneguda al nostre país. Consisteix en que a partir de l’adequació d’una bassa amb base permeable, es produeix una infiltració d’aigua de manera contínua i augmenta de manera controlada la quantitat de recàrrega i els recursos hídrics de l’aqüífer. Les reaccions bioquímiques (absorció, degradació, intercanvi catiònic,...) i els processos hidromecàncis (dispersió, filtració,...) que tenen lloc a dins de l’aqüífer també poden ajudar a millorar la qualitat de l’aigua infiltrada. Concretament, la bassa objecte d’estudi es troba en unes instal∙lacions depuradores. D’aquesta manera, sempre es disposa d’un cabal més o menys constant que prové de l’aigua residual que és tractada en aquesta estació. Les condicions del projecte i les característiques de l’aqüífer han permès simplificar el problema mitjançant un model tipus “caixa”. Aquesta modelització s’ha dut a terme mitjançant el CODE_BRIGHT [ETCG, 2010], un programa que es basa en els elements finits, útil per el càlcul de problemes termo‐hidro‐mecànics i desenvolupat pel personal del Departament d’Enginyeria del Terreny, Cartografia i Geofísica de la UPC. També s’ha programat una eina per al càlcul dels temps d’arribada d’un contaminant inert que circula a través de l’aqüífer. D’aquesta manera s’obté el temps que passa des del moment de la infiltració ‐flux a través de la zona no saturada‐ fins que el contaminant en qüestió arriba a un punt que es troba aigües avall, ja en medi saturat. El codi està escrit en llenguatge MATLAB [Magrab, 2000] i va acompanyat d’una interfície gràfica programada amb el GUIDE [Mathworks, 2011], que en facilita el seu ús

Guía técnica para la evaluación de la problemática del subsuelo asociada a compuestos organoclorados

Este documento quiere presentar una guía técnica para la evaluación de la problemática del subsuelo asociada a compuestos organoclorados. Los objetivos de la guía son dar a conocer cuál es la problemática asociada a estos contaminantes y cuál es su comportamiento en el subsuelo y, por otra parte, ofrecer pautas para prevenir, diagnosticar y recuperar los suelos que han recibido un impacto por DNAPL.La protecció dels sòls contaminats és un dels requeriments medioambientals fixats per la llei de residuos 10/1994 i el real decret 9/2005. Fruit d’aquests i altres canvis normatius derivats de la nova cultura medioambiental, en aquests últims anys, hi ha hagut un fort increment en el nombre d’episodis de contaminació detectats a Catalunya. En aquest sentit, entre els episodis de contaminació per fonts d’origen puntual destaquen els relacionats amb hidrocarburs i compostos organoclorats. Els compostos organoclorats són normalment productes més densos que l’aigua, anomenats DNAPLs (de l’anglès Light Non-Aqueous Phase Liquids), i s’utilitzen principalment com a dissolvents, refrigerants i detergents en indústries. Al ser més densos que l’aigua, poc viscosos i tenir tensions superficials baixes, poden fàcilment penetrar dins del subsòl i fins i tot dins les aigües freàtiques creant així greus problemes medioambientals. A més a més, molts d’aquests productes són força volàtils i generen vapors que poden afectar a la salut humana i el medi ambient.Preprin

Ecological and soil hydraulic implications of microbial responses to stress: a modeling analysis

A better understanding of microbial dynamics in porous media may lead to improvements in the design and management of a number of technological applications, ranging from the degradation of contaminants to the optimization of agricultural systems. To this aim, there is a recognized need for predicting the proliferation of soil microbial biomass (often organized in biofilms) under different environments and stresses. We present a general multi-compartment model to account for physiological responses that have been extensively reported in the literature. The model is used as an explorative tool to elucidate the ecological and soil hydraulic consequences of microbial responses, including the production of extracellular polymeric substances (EPS), the induction of cells into dormancy, and the allocation and reuse of resources between biofilm compartments. The mechanistic model is equipped with indicators allowing the microorganisms to monitor environmental and biological factors and react according to the current stress pressures. The feedbacks of biofilm accumulation on the soil water retention are also described. Model runs simulating different degrees of substrate and water shortage show that adaptive responses to the intensity and type of stress provide a clear benefit to microbial colonies. Results also demonstrate that the model may effectively predict qualitative patterns in microbial dynamics supported by empirical evidence, thereby improving our understanding of the effects of pore-scale physiological mechanisms on the soil macroscale phenomena.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A mechanistic model (BCC-PSSICO) to predict changes in the hydraulic properties for bio-amended variably saturated soils

This is the peer reviewed version of the following article: [Carles Brangarí, A., X. Sanchez-Vila, A. Freixa, A. M. Romaní, S. Rubol, and D. Fernàndez-Garcia (2017), A mechanistic model (BCC-PSSICO) to predict changes in the hydraulic properties for bio-amended variably saturated soils, Water Resour. Res., 53, 93–109, doi:10.1002/2015WR018517], which has been published in final form at http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015WR018517/abstract. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving.The accumulation of biofilms in porous media is likely to influence the overall hydraulic properties and, consequently, a sound understanding of the process is required for the proper design and management of many technological applications. In order to bring some light into this phenomenon we present a mechanistic model to study the variably saturated hydraulic properties of bio-amended soils. Special emphasis is laid on the distribution of phases at pore-scale and the mechanisms to retain and let water flow through, providing valuable insights into phenomena behind bioclogging. Our approach consists in modeling the porous media as an ensemble of capillary tubes, obtained from the biofilm-free water retention curve. This methodology is extended by the incorporation of a biofilm composed of bacterial cells and extracellular polymeric substances (EPS). Moreover, such a microbial consortium displays a channeled geometry that shrinks/swells with suction. Analytical equations for the volumetric water content and the relative permeability can then be derived by assuming that biomass reshapes the pore space following specific geometrical patterns. The model is discussed by using data from laboratory studies and other approaches already existing in the literature. It can reproduce (i) displacements of the retention curve toward higher saturations and (ii) permeability reductions of distinct orders of magnitude. Our findings also illustrate how even very small amounts of biofilm may lead to significant changes in the hydraulic properties. We, therefore, state the importance of accounting for the hydraulic characteristics of biofilms and for a complex/more realistic geometry of colonies at the pore-scale.Peer ReviewedPostprint (author's final draft

A mechanistic model (BCC-PSSICO) to predict changes in the hydraulic properties for bio-amended variably saturated soils

The accumulation of biofilms in porous media is likely to influence the overall hydraulic properties and, consequently, a sound understanding of the process is required for the proper design and management of many technological applications. In order to bring some light into this phenomenon we present a mechanistic model to study the variably saturated hydraulic properties of bio-amended soils. Special emphasis is laid on the distribution of phases at pore-scale and the mechanisms to retain and let water flow through, providing valuable insights into phenomena behind bioclogging. Our approach consists in modeling the porous media as an ensemble of capillary tubes, obtained from the biofilm-free water retention curve. This methodology is extended by the incorporation of a biofilm composed of bacterial cells and extracellular polymeric substances (EPS). Moreover, such a microbial consortium displays a channeled geometry that shrinks/swells with suction. Analytical equations for the volumetric water content and the relative permeability can then be derived by assuming that biomass reshapes the pore space following specific geometrical patterns. The model is discussed by using data from laboratory studies and other approaches already existing in the literature. It can reproduce (i) displacements of the retention curve toward higher saturations and (ii) permeability reductions of distinct orders of magnitude. Our findings also illustrate how even very small amounts of biofilm may lead to significant changes in the hydraulic properties. We, therefore, state the importance of accounting for the hydraulic characteristics of biofilms and for a complex/more realistic geometry of colonies at the pore-scale

Vadose zone oxygen (O2) dynamics during drying and wetting cycles: An artificial recharge laboratory experiment

Vadose zone oxygen dynamics control all subsurface redox reactions and play a decisive role in maintaining groundwater quality. Although drying and wetting events are common in artificial recharge, their effects on subsurface oxygen distribution are poorly documented. We monitored oxygen concentration in the unsaturated zone in a mid-scale (1 m high) laboratory soil lysimeter, which was subjected to short wetting and drying cycles that simulated a highly permeable shallow aquifer recharged by river water. Ten cycles of varying duration were performed for a period of 85 days. Measurements of oxygen in the liquid and the gas phases were recorded every 20 s using non-invasive optical fibers (PreSens). The results provided high-resolution (in time) oxygen concentration maps. The infiltration rate revealed a decreasing trend during wetting cycles associated with biological clogging. Such a decrease with time was accompanied by a depletion of O2 concentration, occurring within the first few hours of the infiltration. During drying, O2 concentrations recovered rapidly at all depths owing to air flushing, resulting in a stratified vertical profile consistent with the biological consumption of O2 along the air infiltration path. Furthermore, drying periods caused a potential recovery of the infiltration capacity while preserving the soil biological activity. Scraping also led to the recovery of the infiltration capacity of the soil but was less effective than drying. Our experiment suggests that the small-scale heterogeneity played a key role in accurately mapping pore-scale O2 concentrations and should be considered in modeling O2 fluxes of unsaturated soils under natural or managed recharge conditions

Modelització del comportament del flux i del transport en un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial

Aquesta tesina conté un resum dels principals processos relacionats amb el flux i amb el transport que succeeixen a l’interior del terreny i, seguidament, una interpretació i modelització d’un aqüífer afectat per una bassa de recàrrega artificial. Una bassa de recàrrega artificial és una metodologia per a la gestió sostenible de l’aigua, que fins al moment és poc coneguda al nostre país. Consisteix en que a partir de l’adequació d’una bassa amb base permeable, es produeix una infiltració d’aigua de manera contínua i augmenta de manera controlada la quantitat de recàrrega i els recursos hídrics de l’aqüífer. Les reaccions bioquímiques (absorció, degradació, intercanvi catiònic,...) i els processos hidromecàncis (dispersió, filtració,...) que tenen lloc a dins de l’aqüífer també poden ajudar a millorar la qualitat de l’aigua infiltrada. Concretament, la bassa objecte d’estudi es troba en unes instal∙lacions depuradores. D’aquesta manera, sempre es disposa d’un cabal més o menys constant que prové de l’aigua residual que és tractada en aquesta estació. Les condicions del projecte i les característiques de l’aqüífer han permès simplificar el problema mitjançant un model tipus “caixa”. Aquesta modelització s’ha dut a terme mitjançant el CODE_BRIGHT [ETCG, 2010], un programa que es basa en els elements finits, útil per el càlcul de problemes termo‐hidro‐mecànics i desenvolupat pel personal del Departament d’Enginyeria del Terreny, Cartografia i Geofísica de la UPC. També s’ha programat una eina per al càlcul dels temps d’arribada d’un contaminant inert que circula a través de l’aqüífer. D’aquesta manera s’obté el temps que passa des del moment de la infiltració ‐flux a través de la zona no saturada‐ fins que el contaminant en qüestió arriba a un punt que es troba aigües avall, ja en medi saturat. El codi està escrit en llenguatge MATLAB [Magrab, 2000] i va acompanyat d’una interfície gràfica programada amb el GUIDE [Mathworks, 2011], que en facilita el seu ús

Guía técnica para la evaluación de la problemática del subsuelo asociada a compuestos organoclorados

Este documento quiere presentar una guía técnica para la evaluación de la problemática del subsuelo asociada a compuestos organoclorados. Los objetivos de la guía son dar a conocer cuál es la problemática asociada a estos contaminantes y cuál es su comportamiento en el subsuelo y, por otra parte, ofrecer pautas para prevenir, diagnosticar y recuperar los suelos que han recibido un impacto por DNAPL.La protecció dels sòls contaminats és un dels requeriments medioambientals fixats per la llei de residuos 10/1994 i el real decret 9/2005. Fruit d’aquests i altres canvis normatius derivats de la nova cultura medioambiental, en aquests últims anys, hi ha hagut un fort increment en el nombre d’episodis de contaminació detectats a Catalunya. En aquest sentit, entre els episodis de contaminació per fonts d’origen puntual destaquen els relacionats amb hidrocarburs i compostos organoclorats. Els compostos organoclorats són normalment productes més densos que l’aigua, anomenats DNAPLs (de l’anglès Light Non-Aqueous Phase Liquids), i s’utilitzen principalment com a dissolvents, refrigerants i detergents en indústries. Al ser més densos que l’aigua, poc viscosos i tenir tensions superficials baixes, poden fàcilment penetrar dins del subsòl i fins i tot dins les aigües freàtiques creant així greus problemes medioambientals. A més a més, molts d’aquests productes són força volàtils i generen vapors que poden afectar a la salut humana i el medi ambient

Ecological and soil hydraulic implications of microbial responses to stress: a modeling analysis

A better understanding of microbial dynamics in porous media may lead to improvements in the design and management of a number of technological applications, ranging from the degradation of contaminants to the optimization of agricultural systems. To this aim, there is a recognized need for predicting the proliferation of soil microbial biomass (often organized in biofilms) under different environments and stresses. We present a general multi-compartment model to account for physiological responses that have been extensively reported in the literature. The model is used as an explorative tool to elucidate the ecological and soil hydraulic consequences of microbial responses, including the production of extracellular polymeric substances (EPS), the induction of cells into dormancy, and the allocation and reuse of resources between biofilm compartments. The mechanistic model is equipped with indicators allowing the microorganisms to monitor environmental and biological factors and react according to the current stress pressures. The feedbacks of biofilm accumulation on the soil water retention are also described. Model runs simulating different degrees of substrate and water shortage show that adaptive responses to the intensity and type of stress provide a clear benefit to microbial colonies. Results also demonstrate that the model may effectively predict qualitative patterns in microbial dynamics supported by empirical evidence, thereby improving our understanding of the effects of pore-scale physiological mechanisms on the soil macroscale phenomena