Numerical simulators for modeling one- and multi-dimensional multiphase transport and biodegradation

The research topic of this tesis, i.e., studying the coupling of multiphase flow and biodegradation, did not fit perfectly with the model already available, in the sense that not all the features needed were already implemented. Thus, the following choices have been made. On the one hand, an easy-to-use and easy-to-modify one-dimensional simulator for two-phase flow plus biodegradation was developed for preliminary and basic studies. On the other hand, an available multiphase flow simulator was selected and modified for introducing the same biodegradation module developed for the one-dimensional code

Purely nonlinear disorder-induced localizations and their parametric amplification

We investigate spatial localization in a quadratic nonlinear medium in the presence of randomness. By means of numerical simulations and theoretical analyses we show that, in the down conversion regime, the transverse random modulation of the nonlinear susceptibility generates localizations of the fundamental wave that grow exponentially in propagation. The localization length is optically controlled by the pump intensity which determines the amplification rate. The results also apply to cubic nonlinearities.Comment: 5 pages, 5 figure

Preliminary study on density-dependent flow and transport in the Lake Karachai area (UE RaCoS project): adequacy of CODESA-3D to model a plume of contaminant brine

One of the main objectives in this preliminary study was to implement CODESA-3D (COupled variable DEnsity and SAturation) code for the Lake Karachai site and to run preliminary simulations under a variety of conditions, but with density ratio coeffcient no larger than 0.07 (density variations of maximum 7%). Because CODESA-3D is a finite element numerical code for coupled flow and transport that is normally used for problems of seawater intrusion, where density variations are around 3%, part of our work has been devoted to determine the limit of applicability of the code

Literature review on NAPL contamination and remediation

Remediation of polluted soils and groundwater is of major concern due to the increasing number of contaminated aquifers. Subsurface aquifers constitute one of the most important sources of drinkable water. In recent years, water needs have been increasing due to increases in development and human population. Several sorts of contaminants can be found in groundwater: metal ions, pesticides, aliphatic and aromatic hydrocarbons, polycyclic hydrocarbons, chlorinated hydrocarbons, etc. The toxicity of these compounds varies and so do guidelines that establish allowable concentration levels in drinking water. Among the aforementioned types of compounds, a particular importance is assumed by those which exist as a separate phase when their concentrations in water exceed a certain limit. The transport behavior and dynamics of multiphase contaminants are very different from their dissolved counterparts, and are very difficult both to describe and to model. Several phenomena can take place, such as organic phase trapping, formation of ganglia and pools of contaminant, sorption, hysteresis in both soil imbibition and drainage, capillarity, fingering, and mass-transfer. In such cases, our ability to describe and predict the fate of a contaminant plume in which a separate organic phase occurs is limited, and research within this field is quite open. Much effort has been devoted in trying to describe the characteristics of the phenomena occuring in multiphase systems, and several models and formulations have been proposed for predicting the fate of contaminants when present in such systems (see Miller et al. 1997) for a review on multiphase modeling in porous media). Work has also been done for modeling human intervention techniques for containing and/or reducing soil contaminantion (NRC, 1994), such as pumping, clean water-air-steam injection, soil heating, surfactants, biological methods, etc. Finally, much work has also been done on the numerical solution of mathematical models whose complexity does not allow for an analytical solution. Among the dozens of remediation methods which have been proposed and which are strongly dependent on site environmental conditions, biological methods are achieving increasing importance, due to their “naturalness" and their low costs (NRC, 1993) . It has been noticed that soil microorganisms are able to degrade several classes of compounds, in particular those which partition between an aqueous and an organic phase, or sometimes also gaseous phase, for e.g., hydrocarbons, chlorinated compounds, pesticides. These compounds, or better said, their fractions dissolved in water, are liable to be metabolized by subsurface microrganisms which have the capability to degrade the compounds and to transform them into carbon dioxide and/or other compounds, which are less toxic or unnoxious. Several laboratory and field studies have been conducted for assessing and evaluating the capability and the limits of soil microorganisms to degrade several classes of contaminants (Mayer et al., 1994, 1995, 1996, 1997) . Much work has also been devoted to modeling biodegration of groundwater contaminants. The outline of this report is as follows: section 2 gives a brief description of the characteristics and properties of NAPLs, including a review of the literature with regards to formulations and modeling; section 3 discusses biodegradation of contaminants and past efforts at modeling biodegradation; section 4 surveys specific remediation technologies and experiences; and section 5 discusses open issues for further research. In the final section possible lines of research for the second phase of the PhD program are indicated

Adattamento e parametrizzazione del modello numerico: sito di Portoscuso

Il presente rapporto fa parte degli elaborati tecnici della III fase (Attuazione) del Progetto PST/MURST Tecnologie avanzate perla gestione delle risorse idriche: software per la modellazione ambientale. Nel documento si descrivono le fasi di adattamento e parametrizzazione del programma di calcolo CODESA-3D (Gambolati et al. 1999, Lecca) per l’implementazione del modello numerico tridimensionale dell’acquifero costiero del sito di Portoscuso (Sardegna sud-occidentale). Obiettivo generale di questa parte del Progetto è la simulazione, tramite il modello numerico, dei fenomeni di trasporto di inquinanti inerti, assimilabili come comportamento ai sali marini. Il sistema acquifero della piana di Portoscuso è stato oggetto di diversi studi. La zona è interessata da un grosso polo industriale di zone estrattive di minerali. Per la predisposizione dei dati di input del modello ci si è avvalsi in modo sostanziale delle tecnologie informatiche GIS, attraverso la costituzione e l’aggiornamento di un database cartografico e alfanumerico (Cau e Muscas 2001, Muscas et al. 2001) e lo sviluppo di interfacce software per l’integrazione dei diversi sistemi informatici (GIS, generatori di griglie di calcolo, modello numerico, etc. ) descritte nell’elaborato della III fase “Interfacciamento GIS-Modello”. Questo rapporto, inoltre, fa riferimento agli elaborati “Descrizione del GIS-Database implementato” e “Analisi dei dati” (Muscas e Cau, 2002) della fase III e risulta a sua volta propedeutico all’elaborato “Descrizione delle prove di calibrazione e validazione” della presente fase

Rapporto di ricerca bibliografica (Stato dell'arte dei modelli di flusso e trasporto in mezzi porosi)

In questo primo rapporto vengono presentate le equazioni fondamentali che reggono i fenomeni di flusso e trasporto in mezzi porosi insieme ai metodi numerici che verranno utilizzati per la soluzione di tali equazioni. I modelli matematici in questione sono basati su equazioni differenziali a derivate parziali che impongono il bilancio di massa sia per il fluido che per il soluto (inquinante disciolto in acqua). Queste equazioni vengono scritte in forma generale per un mezzo poroso tridimensionale; in dipendenza dal tipo di applicazione è possibile adottare modelli mono o bidimensionali che portano a semplificazioni notevoli. L'equazione di flusso è sviluppata per il caso di mezzi porosi a saturazione variabile e può essere quindi utilizzata contemporaneamente nella zona insatura (suoli superficiali) e satura (falde freatiche e artesiane). Nell'equazione di trasporto si considerano i processi di dispersione, diffusione e avvezione, insieme ad alcune fenomenologie di interazione chimico-fisica tra il soluto e la matrice porosa. Accanto a queste equazione, si descrive anche un modello, a scala di bacino, di afflussi-deflussi superficiali accoppiato con un modello di infiltrazione. Questo approccio viene tiene conto di fenomeni importanti qualora vi sia una stretta correlazione tra il moto dell'acqua in superficie e il moto dell'acqua nella zona insatura

Elaborazione di modelli matematico-numerici per la simulazione di flusso e trasporto per problemi dipendenti dalla densità

Il presente rapporto descrive lo stato di avanzamento dell’attività 1 del sottoprogetto al termine del primo anno del progetto MURST/CIPE , ovvero la descrizione della modellazione di fenomeni di flusso e trasporto nel caso di fenomeni dipendenti dalla densità (cioè la presenza stessa dell’inquinante è in grado di influenzare fortemente il campo di moto), con particolare riferimento al caso di dispersione di inquinanti immiscibili in acqua detti NAPL (liquidi organici in fase non acquosa, quali idrocarburi, solventi organici, liquidi oleosi, sostanze bitumose, etc.) possibili di biodegradazione ad opera della flora batterica naturalmente presente , di trasporto di inquinanti chimicamente reattivi nel sottosuolo (NaOH, e altri contaminanti in grado di influenzare il pH dell’ambiente sottostante) e del caso di intrusione dell’acqua marina nel sottosuolo. L’elaborato descrive dunque l’insieme delle equazioni e la formalizzazione degli algoritmi risolutivi dei modelli matematici e delle integrazioni modellistiche e numeriche dei modelli dei seguenti processi: inquinanti immiscibili in acqua; biodegradazione; intrusione di acqua marina; trasporto in non-equilibrio

FOXN1 Deficiency: from the Discovery to Novel Therapeutic Approaches

Since the discovery of FOXN1 deficiency, the human counterpart of the nude mouse, a growing body of evidence investigating the role of FOXN1 in thymus and skin, has been published. FOXN1 has emerged as fundamental for thymus development, function, and homeostasis, representing the master regulator of thymic epithelial and T cell development. In the skin, it also plays a pivotal role in keratinocytes and hair follicle cell differentiation, although the underlying molecular mechanisms still remain to be fully elucidated. The nude severe combined immunodeficiency phenotype is indeed characterized by the clinical hallmarks of athymia with severe T cell immunodeficiency, congenital alopecia, and nail dystrophy. In this review, we summarize recent discoveries in the field and give interesting perspective about new and promising therapeutic approaches for disorders of immune system with athymia

Numerical simulation of non-Fickian transport in geological formations with multiple-scale heterogeneities

We develop a numerical method to model contaminant transport in heterogeneous geological formations. The method is based on a unified framework that takes into account the different levels of uncertainty often associated with characterizing heterogeneities at different spatial scales. It treats the unresolved, small-scale heterogeneities (residues) probabilistically using a continuous time random walk (CTRW) formalism and the largescale heterogeneity variations (trends) deterministically. This formulation leads to a Fokker-Planck equation with a memory term (FPME) and a generalized concentration flux term. The former term captures the non-Fickian behavior arising from the residues, and the latter term accounts for the trends, which are included with explicit treatment at the heterogeneity interfaces. The memory term allows a transition between non-Fickian and Fickian transport, while the coupling of these dynamics with the trends quantifies the unique nature of the transport over a broad range of temporal and spatial scales. The advection-dispersion equation (ADE) is shown to be a special case of our unified framework. The solution of the ADE is used as a reference for the FPME solutions for the same formation structure. Numerical treatment of the equations involves solution for the Laplace transformed concentration by means of classical finite element methods, and subsequent inversion in the time domain. We use the numerical method to quantify transport in a two-dimensional domain for different expressions for the memory term. The parameters defining these expressions are measurable quantities. The calculations demonstrate long tailing arising (principally) from the memory term and the effects on arrival times that are controlled largely by the generalized concentration flux term.Pubblicat

Identificazione dei siti di studio e organizzazione del sistema GIS/database. Stato di avanzamento attività 3.2

Nel presente rapporto viene presentato lo stato di avanzamento dell'attività 3.2 ad un anno dall'inizio del progetto. Detta attività consiste nella realizzazione di un sistema informativo per ciascuno dei siti selezionati comprensivo di mappe, archivi, dati, etc. da utilizzare successivamente per le simulazioni. In questo contesto il lavoro è consistito nell'acquisizione, gestione e analisi di dati eterogenei provenienti da diverse fonti informative. Tali dati sono costituiti da rilievi in campo e/o in laboratorio, cartografia esistente e simulazioni eseguite con i modelli numerici di calcolo che in alcuni casi sono di tipo dinamico, cioè variabili nel tempo. Mediante l'uso di software GIS commerciali, i dati sono stati organizzati e convertiti in formati consistenti fra loro, e in seguito inseriti e elaborati all'interno del GIS stesso, in modo da arrivare ad un sistema dinamico per la gestione, l'analisi e la rappresentazione dei vari tipi di dati (alfanumerici, tabelle, raster, vettoriali; dati statici e dinamici; etc.). Operazioni di georeferenziazione e correzione in molti casi sono state particolarmente impegnative a causa della scarsa qualità dei dati stessi. Entrando in maggiore dettaglio sull`attività svolta durante il primo anno, si è fatto un primo “screening” su una serie di siti in Sardegna e non. Questi siti presentano problemi di inquinamento di una certa rilevanza e ad una prima analisi si sono dimostrati dei validi candidati per uno studio maggiormente approfondito. I siti considerati per lo studio preliminare vengono elencati qui di seguito: Ringe, Capoterra, Portoscuso, Muravera, Oristano. Viene data una descrizione di massima dei siti in studio e dei problemi di inquinamento a cui sono soggetti. Infine, sulla base di una serie di considerazioni viene descritta la scelta dei due siti su cui si focalizzerà il progetto