Thesis (M. S.)--Civil and Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology, 2008. / Committee Chair: Aral, Mustafa; Committee Member: Guan, Jiabao; Committee Member: Pavlostathis, Spyros; Committee Member: Uzer, Turgay; Committee Member: Yiacoumi, Sotira.

Prediction of subsurface migration of contaminant through soils involves analyses of unsaturated and saturated flow of water and advective dispersive transport of contaminant species. A finite element model is developed here for such an analysis. It is based on the transient nonlinear Richard's equation for the unsaturated flow and the mass transport equation using advective dispersive transport phenomenon. The model makes it possible to make advance predictions of the spread of the contaminant with respect to time and space, into the ground water system. The hydraulic properties of the unsaturated soils and the dispersion characteristics need to be obtained for such an analysis. The unsaturated flow parameters are obtained from a functional relationship between capillary pressure head and moisture saturation, and can be determined from laboratory tests on simple column samples of soils. A general expression is assumed to account for the effect of velocity dependence of the hydrodynamic dispersion coefficient in the mass transport problem. A computer program POLUT2D is developed based on the above assumptions. Pre and post processors for the computer program POLUT2D are also developed for interactive input of data and graphics displays of results. The computer program is first evaluated by comparing the results of a problem given in the literature with the results obtained by POLUT2D. The factors affecting the contaminant movement and distribution such as dispersivities, hydraulic conductivities and the effect of cutoff walls in controlling the spread of contaminant plume are studied. Also in this regard, the movement and spread of a contaminant at a landfill site in New Castle County, Delaware, is studied by comparing the simulated pattern of plume with the observed pattern. / Master of Science

O objetivo do trabalho é aplicar um modelo numérico que simule a propagação da pluma de contaminação derivada de chorume, como ferramenta numérica que permita uma análise dos parâmetros envolvidos no sistema, tendo como caso de estudo o lixão de São Pedro da Aldeia, levando em conta: o mecanismo de perda de massa durante o transporte e a variabilidade estatística dos principais parâmetros de entrada (input) no modelo numérico. A perda de massa durante o fluxo pode ocorrer tanto por sorção, como por decaimento microbiológico, será estimada através da interpretação probabilística de dados experimentais obtidos no lixão de São Pedro da Aldeia. Os resultados obtidos pela modelagem numérica serão comparados com os resultados experimentais de concentração do íon cloreto obtidos por medições em campo. Os resultados experimentais foram obtidos considerando distâncias crescentes em relação ao lixão, para oito intervalos de tempo distintos, permitindo, assim, comparar os resultados alcançados pela modelagem numérica com dados experimentais reais, obtidos em função do tempo e da distância ao lixão. Para a modelagem numérica, foi utilizada a equação diferencial do transporte advectivo-dispersivo, levando em conta um termo de perda de massa estimado a partir de interpretações estatísticas dos resultados experimentais obtidos. A solução da equação diferencial do fluxo advectivo dispersivo foi analisada pelo método dos volumes finitos, que se mostra adequado para problemas de avanço de frentes de saturação e/ou de contaminação. Para a modelagem probabilística, foi utilizado o Método de Rosenblueth (ou método das estimativas pontuais), considerando-se, como variáveis aleatórias mais relevantes: a condutividade hidráulica k, a concentração iônica inicial Co e o decaimento da concentração iônica em função da distância (x) ao lixão expresso por um termo bo em (mg/l/m). A interpretação estatística das concentrações medidas experimentalmente mostrou uma faixa de variabilidade muito bem representada pela faixa de variação obtida pela conjugação da solução da equação de transporte de contaminantes (pelo método dos volumes finitos) com análise de variabilidade por formulação FOSM (pelo método das estimativas pontuais de Rosenblueth). Os resultados obtidos indicam que, embora com a contaminação crescente, podemos avaliar com poucos dados a contaminação ao longo do tempo. As simulações indicaram coerência com o resultado obtido experimentalmente, validando assim o modelo utilizado. Entende-se que o trabalho conseguiu demonstrar a aplicabilidade e relativa praticidade no que diz respeito ao estudo do fluxo de contaminantes em meios saturados. Os resultados se mostraram satisfatórios no que tange ao entendimento das questões abordadas. / The objective of this work is to apply a numerical model that simulates the propagation of the contamination plume stemmed from leachate as a numerical tool that allows an analysis of the parameters involved in the system, having the landfill of São Pedro da Aldeia as study case. The model takes into account the loss of contaminant mass mechanism during transport and the statistical variability, in the numerical model, of the main input variables. The loss of mass during the flow, which can occur either in the form of sorption or as a microbiological decay, will be assed by probabilistic interpretation of experimental data. The results obtained by the numerical modeling will be compared to the experimental results of the ionic chloride concentration obtained by field mediations. The experimental results were obtained taking into account the growing distances in relation to the landfill, for eight different time intervals, allowing, this way, the comparison of the results reached by the numerical modeling with the real experimental data results, obtained due to the time and the distance of the landfill. For the numerical modeling, the differential equation of the advective-dispersive transport was used, taking into account a term of loss of mass estimated from statistical interpretations of the experimental results. The differential equation solution of the advective-dispersive flow was obtained by the finite volumes method, which was proved adequate to problems concerning the propagation of contaminating plumes in saturated soils. For the probabilistic modeling, the Rosenblueth Method (or point estimate method) was used, considering, as more relevant aleatory variables, the hydraulic conductivity k, the initial ionic concentration and the rate of concentration decay. The statistical interpretation of the concentrations experimentally measured showed one variability band well represented by the variation band obtained by the conjunction of the contaminant transport equation solution (finite volumes method) with the variability analysis of the FOSM formularization (Rosenblueths point estimate method). The obtained results indicate that even with the increasing contamination it is possible, with little data, to evaluate the contamination throughout time. The simulations indicated coherence with the experimentally obtained results validating, this way, the used model. The work demonstrates the applicability and the relative practicity concerning the study of the contaminant flow in saturated environments. Considering the understanding of the boarded questions, the results seemed satisfactory.

O objetivo do trabalho é aplicar um modelo numérico que simule a propagação da pluma de contaminação derivada de chorume, como ferramenta numérica que permita uma análise dos parâmetros envolvidos no sistema, tendo como caso de estudo o lixão de São Pedro da Aldeia, levando em conta: o mecanismo de perda de massa durante o transporte e a variabilidade estatística dos principais parâmetros de entrada (input) no modelo numérico. A perda de massa durante o fluxo pode ocorrer tanto por sorção, como por decaimento microbiológico, será estimada através da interpretação probabilística de dados experimentais obtidos no lixão de São Pedro da Aldeia. Os resultados obtidos pela modelagem numérica serão comparados com os resultados experimentais de concentração do íon cloreto obtidos por medições em campo. Os resultados experimentais foram obtidos considerando distâncias crescentes em relação ao lixão, para oito intervalos de tempo distintos, permitindo, assim, comparar os resultados alcançados pela modelagem numérica com dados experimentais reais, obtidos em função do tempo e da distância ao lixão. Para a modelagem numérica, foi utilizada a equação diferencial do transporte advectivo-dispersivo, levando em conta um termo de perda de massa estimado a partir de interpretações estatísticas dos resultados experimentais obtidos. A solução da equação diferencial do fluxo advectivo dispersivo foi analisada pelo método dos volumes finitos, que se mostra adequado para problemas de avanço de frentes de saturação e/ou de contaminação. Para a modelagem probabilística, foi utilizado o Método de Rosenblueth (ou método das estimativas pontuais), considerando-se, como variáveis aleatórias mais relevantes: a condutividade hidráulica k, a concentração iônica inicial Co e o decaimento da concentração iônica em função da distância (x) ao lixão expresso por um termo bo em (mg/l/m). A interpretação estatística das concentrações medidas experimentalmente mostrou uma faixa de variabilidade muito bem representada pela faixa de variação obtida pela conjugação da solução da equação de transporte de contaminantes (pelo método dos volumes finitos) com análise de variabilidade por formulação FOSM (pelo método das estimativas pontuais de Rosenblueth). Os resultados obtidos indicam que, embora com a contaminação crescente, podemos avaliar com poucos dados a contaminação ao longo do tempo. As simulações indicaram coerência com o resultado obtido experimentalmente, validando assim o modelo utilizado. Entende-se que o trabalho conseguiu demonstrar a aplicabilidade e relativa praticidade no que diz respeito ao estudo do fluxo de contaminantes em meios saturados. Os resultados se mostraram satisfatórios no que tange ao entendimento das questões abordadas. / The objective of this work is to apply a numerical model that simulates the propagation of the contamination plume stemmed from leachate as a numerical tool that allows an analysis of the parameters involved in the system, having the landfill of São Pedro da Aldeia as study case. The model takes into account the loss of contaminant mass mechanism during transport and the statistical variability, in the numerical model, of the main input variables. The loss of mass during the flow, which can occur either in the form of sorption or as a microbiological decay, will be assed by probabilistic interpretation of experimental data. The results obtained by the numerical modeling will be compared to the experimental results of the ionic chloride concentration obtained by field mediations. The experimental results were obtained taking into account the growing distances in relation to the landfill, for eight different time intervals, allowing, this way, the comparison of the results reached by the numerical modeling with the real experimental data results, obtained due to the time and the distance of the landfill. For the numerical modeling, the differential equation of the advective-dispersive transport was used, taking into account a term of loss of mass estimated from statistical interpretations of the experimental results. The differential equation solution of the advective-dispersive flow was obtained by the finite volumes method, which was proved adequate to problems concerning the propagation of contaminating plumes in saturated soils. For the probabilistic modeling, the Rosenblueth Method (or point estimate method) was used, considering, as more relevant aleatory variables, the hydraulic conductivity k, the initial ionic concentration and the rate of concentration decay. The statistical interpretation of the concentrations experimentally measured showed one variability band well represented by the variation band obtained by the conjunction of the contaminant transport equation solution (finite volumes method) with the variability analysis of the FOSM formularization (Rosenblueths point estimate method). The obtained results indicate that even with the increasing contamination it is possible, with little data, to evaluate the contamination throughout time. The simulations indicated coherence with the experimentally obtained results validating, this way, the used model. The work demonstrates the applicability and the relative practicity concerning the study of the contaminant flow in saturated environments. Considering the understanding of the boarded questions, the results seemed satisfactory.