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Numerical simulation and effective management of saltwater intrusion in coastal aquifersHussain, Mohammed Salih January 2015 (has links)
Seawater intrusion (SWI) is a widespread environmental problem, particularly in arid and semi-arid coastal areas. Unplanned prolonged over-pumping of groundwater is the most important factor in SWI that could result in severe deterioration of groundwater quality. Therefore, appropriate management strategies should be implemented in coastal aquifers to control SWI with acceptable limits of economic and environmental costs. This PhD project presents the development and application of a simulation-optimization (S/O) model to assess different management methods of controlling saltwater intrusion while satisfying water demands, and with acceptable limits of economic and environmental costs, in confined and unconfined coastal aquifers. The first S/O model (FE-GA) is developed by direct linking of an FE simulation model with a multi-objective Genetic Algorithm (GA) to optimize the efficiency of a wide range of SWI management scenarios. However, in this S/O framework, several multiple calls of the simulation model by the population-based optimization model, evaluating best individual candidate solutions resulted in a considerable computational burden. To solve this problem the numerical simulation model is replaced by an Evolutionary Polynomial Regression (EPR)-based surrogate model in the next S/O model (EPR-GA). Through these S/O approaches (FE-GA and EPR-GA) the optimal coordinates and rates of the both abstraction and recharge barriers are determined in the studied management scenarios. As a result, a new combined methodology, so far called ADRTWW, is proposed to control SWI. The ADRTWW model consists of deep Abstraction of saline water near the coast followed by Desalination of the abstracted water to a potable level for public uses and simultaneously Recharging the aquifer using a more economic source of water such as treated wastewater (TWW). In accordance to the available recharge options (injection through well or infiltration from surface pond), the general performance of ADRTWW is evaluated in different hydro-geological settings of the aquifers indicating that it offers the least cost and least salinity in comparison with other scenarios. The great capabilities of both developed S/O models in identification of the best management solutions and the optimal coordinates and rates of the abstraction well and recharge well/pond are discussed. Both FE-GA and EPR-GA can be successfully employed by a robust decision support system. In the next phase of the study, the general impacts of sea level rise (SLR), associated with its transgression nature along the coastline surface on the saltwater intrusion mechanism are investigated in different hypothetical and real case studies of coastal aquifer systems. The results show that the rate and the amount of SWI are considerably greater in aquifers with flat shoreline slopes compared with those with steep slopes. The SWI process is followed by a significant depletion in quantity of freshwater resources at the end of the century. The situation is exacerbated with combined action of SLR and groundwater withdrawals. This finding is also confirmed by 3D simulation of SWI in a regional coastal aquifer (Wadi Ham aquifer) in the UAE subjected to the coupled actions of SLR and pumping.
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[en] NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY ON SATURATED AND NON-SATURATED SOIL PROBLEMS / [pt] ESTUDO NUMÉRICO E EXPERIMENTAL DE PROBLEMAS DE FLUXO SATURADO - NÃO SATURADO EM SOLOSMARLENE SUSY TAPIA MORALES 10 September 2008 (has links)
[pt] O estudo de fluxo saturado - não saturado em solos exige
o
conhecimento das funções de relação, como a curva
característica (q x h) e a curva de condutividade
hidráulica (K x h). Para determinar estas relações o
presente trabalho utiliza o modelo de van Genuchten-
Mualem, o qual está implementado numa ferramenta numérica
que permite a utilização da retroanálise como método
para determinação dos parâmetros do modelo. O principal
objetivo deste trabalho é a avaliação de um método que
permita a estimativa dos parâmetros do modelo de van
Genuchten-Mualem, a partir de dados coletados em campo ou
laboratório para, então, realizar-se a análise de fluxo
saturado - não saturado e a estimativa dos parametros de
van Genuchtem-Mualem. Finalmente, a as condições de fluxo
saturado - não saturado em duas encostas foram simuladas,
em duas e três dimensões, a fim de verificar a variação
de
fluxo nestes casos. / [en] The study of saturated and non saturated flow in soils
requires the knowledge of relation functions, as water
retention curve (q vs. h) and hydraulic conductivity curve
(K vs. h).In order to determine these relations, this
research uses van Genuchten-Mualem`s model, which is
implemented on a numerical based method. This tool allows
the inverse solution as a method to determine the
parameters of the model. The main objective of this
research is the evaluation of a method which allows the
estimative of the required parameters by the chosen
model, determined based on field or laboratory data, so
then, based on these parameters, saturated and non-
saturated flow analysis were carried out and the
estimative of parameters of van Genuchten-Mualem`s model.
Finally, saturated and non-saturated simulations were made
on two slopes. These simulations were followed by 2D and 3D
models, in order to verify the flow variation on these
cases.
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[pt] DESENVOLVIMENTO DE PROCEDIMENTOS NUMÉRICOS PARA ANÁLISE DE INFILTRAÇÃO E ESTABILIDADE DE TALUDES EM BACIAS DE DRENAGEM / [en] DEVELOPEMENT OF NUMERICAL PROCEDURES FOR THE ANALYSIS OF INFILTRATION AND SLOPE STABILITY IN CATCHMENT BASINSMARCELO MIQUELETTO 02 April 2008 (has links)
[pt] Este trabalho tem por objetivo o desenvolvimento de uma
ferramenta numérica para avaliação do fluxo saturado-não
saturado em encostas de grandes dimensões, com aplicação na
análise de estabilidade dessas áreas. Emprega-se o método
dos elementos finitos na solução da equação de Richards,
considerando a carga de pressão como variável primária e
utilizando formulação adequada para minimização dos
problemas de conservação de massa, freqüentemente,
associados a esse fato. O modelo constitutivo utilizado
para a curva característica e função de condutividade
hidráulica é o proposto por Van Genuchten (1980). Para
solução da não-linearidade, emprega-se um método quasi-
Newton (BFGS). Com o objetivo de minimizar os requisitos de
memória computacional, utiliza-se esquema de armazenamento
de matriz esparsa, associado ao método de gradiente
biconjugado, na solução do sistema de equações.
Paralelamente, é apresentado algoritmo de geração de malha
tridimensional de elementos finitos, a partir de uma malha
superficial de triângulos, representativa da topografia.
Análises numéricas são executadas com a finalidade de
validação do código gerado, comparando-se os resultados
obtidos com aqueles gerados por outros programas já
consagrados na literatura técnica. É proposta metodologia
para geração de mapas de susceptibilidade a escorregamentos
translacionais rasos, empregando-se o método do talude
infinito, associado à estrutura da malha de elementos
finitos e aos resultados do problema de fluxo, incorporando-
se, assim, o efeito do estado de não saturação na
resistência do material. / [en] The aim of this work is to develop a numerical tool for the
analysis of saturated-unsaturated flow in large scale
natural slopes, applied to the study of the stability of
these areas. The finite element method is applied to solve
the Richard`s equation, taking into account the pressure
head as the primary variable and using an adequate
formulation to minimize the mass conservation issues. The
constitutive model used to the characteristic curve and
hydraulic constitutive function is the one presented by van
Genuchten (1980). A quasi-Newton method (BFGS) is applied
for the solution of the non-linearity. A sparse matrix
storage scheme, with the objective of reducing the
computational memory requirements, is associated to the bi-
conjugated gradient method for the solution of the system
of equations. An algorithm of finite elements mesh is
presented, which generates the 3D mesh from a triangle
superficial mesh representing the relief. Numerical
analyses are performed in order to validate the code, by
comparing the results with those generated by others widely
known codes presented in the technical literature. A
methodology for the generation of susceptibility maps to
shallow translational landslides is delineated, which
employs the infinite slope method to the finite elements
mesh structure and the flow problem results, considering
the effect of the unsaturated state in the material
strength.
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[en] NUMERICAL MODELING OF VIRUS TRANSPORT IN FRACTURED-POROUS MEDIA / [pt] MODELAGEM NUMÉRICA DO TRANSPORTE DE VÍRUS EM AQÜÍFEROS FRATURADOS - POROSOSJULIO ERNESTO MACIAS ALVARENGA 10 June 2008 (has links)
[pt] A avaliação do potencial de contaminação de capatações de
água, por causa das águas residuais provenientes dos
sistemas de tanque séptico, é feita a partir da
definição da distância de separação mínima que deve
existir
entre a captação e o local de infiltração do efluente. A
determinação dessa distância define a zona de proteção da
captação. Existem três metodologias para definir o
tamanho
dessa zona de proteção: metodologias baseadas em
distâncias
fixas e tempos de trânsito, metodologias baseadas na
vulnerabilidade e metodologias baseadas no risco de
infecção. No caso da Costa Rica, as avaliações são feitas
através do uso da metodologia baseada no tempo de
trânsito.
O tempo de trânsito empregado corresponde ao tempo de
sobrevivência dos vírus. Nesta análise determina-se a
distância máxima percorrida pelos vírus durante esse
tempo,
e essa distância define a separação mínima. Esse método
considera que o transporte ocorre por percolação vertical
saturada através da zona não saturada, e por transporte ao
longo da interface água-ar na zona saturada segundo o
gradiente natural. Neste trabalho apresenta-se um novo
procedimento, baseado no risco de infecção, para a
determinação da distância de separação considerando os
efeitos da saturação variável e o fraturamento. Este
procedimento determina a distância máxima percorrida, a
partir do cálculo das concentrações de vírus. A distância
de
separação mínima corresponde à distância entre a fonte de
injeção e o ponto aonde a concentração atinge o valor
máximo de concentração permitida. Para o desenvolvimento
deste novo procedimento foi implementado um código de
programação que inclui: fluxo saturado-não saturado e
transporte explícito nos poros e nas fraturas, advecção,
dispersão, decaimento, sorção na superfície dos
sólidos, sorção nas interfaces água-ar e água-sólido,
filtração mecânica e exclusão de poros. Foi realizada uma
análise comparativa entre as metodologias acima
descritas para três geometrias tipo representativas das
condições estratigráficas de algumas áreas do Vale
Central
da Costa Rica. Os resultados obtidos indicaram que
a metodologia normalmente empregada na Costa Rica pode
ser
inadequada para prever na maioria dos casos a
possibilidade
de contaminação. / [en] Setback distances of wellhead and catchments from septic
tanks are establised by three aproaches: methods based on
fixed setback distances or fixed travel times; methods
based on vulnerability analysis and methods based on
infection risk. In Costa Rica, the determination of setback
distances is based on fixed travel times. This approach
considers that during and specified travel time all
microorganisms will be inactivated, and that the distance
traveled during this time defines the minimum safe
separation. In this approach a unitary hydraulic gradient
and saturated hydraulic conductivity are considered for
transport in the unsaturated zone and the natural hydraulic
gradient and saturated conductivity for transport in the
saturated zone. Only advection is considered as the
responsible mechanism for virus transport. A new procedure
is presented in this document to define the setback
distance. This procedure is based on the infection risk
approach. According to this approach the minimum required
setback distance is defined as the distance between the
injection point and the location where the contaminant
reaches a maximum allowable concentration. This procedure
was implemented in a computer code that considers variable
saturated water flow, fractured-porous media, advection,
dispersion, dynamic sorption, inactivation and mechanical
filtration. A comparative analysis was performed for three
hypothetical geometries using the two approaches described.
The results indicate the approach normally used in Costa
Rica may no reproduce adequately the possibility of
catchments and wellhead contamination.
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[pt] O PAPEL DA ESPESSURA DE SOLO E DAS CONDIÇÕES INICIAIS DE UMIDADE NA ESTABILIDADE DE ENCOSTAS EM BACIAS HIDROGRÁFICAS DURANTE CHUVAS EXTREMAS / [en] THE ROLE OF SOIL THICKNESS AND INITIAL MOISTURE CONDITIONS ON THE STABILITY OF SLOPES IN WATERSHEDS DURING TO EXTREME RAINFALLJESSICA COSTA MAROTTI 09 June 2022 (has links)
[pt] Os deslizamentos ocorridos em grandes escalas ao redor do mundo
decorrentes, principalmente, de eventos chuvosos extremos criaram um sinal de
alerta para a necessidade de compreensão dos mecanismos de deflagração
desses movimentos de massa. No entanto, a influência de variáveis fundamentais,
como a espessura de solo e as condições iniciais de umidade, no estudo de
estabilidade de bacias hidrográficas ainda não foi totalmente esclarecido. Nesta
dissertação, simulações numéricas de fluxo e análise de estabilidade de encostas
são realizadas nas bacias hidrográficas dos rios Quitite e Papagaio.
Primeiramente, dois modelos analíticos de espessura de solo são utilizados em
simulações envolvendo o fluxo tridimensional saturado-não saturado com o uso
do método dos elementos finitos. A condição inicial de umidade também é
analisada utilizando-se dados de precipitação por um período de spin-up.
Posteriormente, o fator de segurança (FS) da região, via talude infinito, é analisado
após a imposição de um evento chuvoso extremo. Dessa forma, é possível
verificar que os intervalos de espessuras de solo de 0 a 3 m são os que mais se
assemelham às cicatrizes mapeadas, sugerindo uma abordagem mais realística
de espessura média para a bacia. Além disso, é verificado que, em eventos
extremos, o uso do spin-up time para condição inicial de umidade variável pode
não ter muita influência no fator de segurança, pois a intensidade e duração da
chuva serão os agentes deflagradores. / [en] The large-scale landslides that have occurred around the world, mainly due
to extreme rainfall events, serve as a warning signal for the need to understand
the triggering mechanisms of these mass movements. However, the influence of
fundamental variables, such as soil thickness and initial moisture conditions, in the
study of watershed stability has not been fully clarified. In this dissertation,
numerical flow simulations and slope stability analysis are carried out for the
hydrographic basins of the Quitite and Papagaio rivers. In this study, two analytical
soil thickness models are applied to saturated-unsaturated three-dimensional finite
element flow simulations. The initial moisture condition is analyzed using
precipitation data for a spin-up period. Subsequently, the safety factor (SF) is
analysed, using the infinite slope method, after the imposition of an extreme rainfall
event. From these results, it is possible to verify that the ranges of soil thicknesses
from 0 to 3 m are the ones that most resemble the mapped scars, suggesting a
more realistic approach for considering the average basin thickness. In addition, it
is verified that, in extreme events, the use of spin-up time for initial variable
humidity conditions may not have much influence on the safety factor, since the
intensity and duration of the rain will be the triggering agents.
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