The goal of this method is to implement the volume and mass conserving characteristic method. This method is appropriate to the equation with advections and diffusions. Characteristic mixed FEM with piecewise constant approximation is applied to the advection part, and the diffusion part is handled by FDM.

Evaporation and transpiration from the soil and plant, respectively, have received increasing attention from those who work with water supply, irrigation, and drainage.

This study focuses on the particle tracking of reactive transport with groundwater in a tailing dam, specifically at the Malmberget mine in Northern Sweden. Understanding the geochemical behaviour of major elements and trace metals in the subsurface environment with a focus on the tailings sand and moraine layers. The mobility and interactions of pollutants through a period of time were simulated using advanced modelling programmes such as FASTREACT, PHREEQC, and MIKE SHE.  The results reveal that major elements such as calcium (Ca), sodium (Na), and sulphate (SO₄) remain stable, indicating minimal geochemical reactions within the tailings sand layer. A decline in pH, primarily due to pyrite oxidation, highlights key geochemical changes. Trace metals, including cobalt (Co), copper (Cu), nickel (Ni), strontium (Sr), uranium (U), and zinc (Zn), maintain constant concentrations, attributed to the uniformity of processed water both as the infiltrating and existing solution in the tailings sand. In the moraine layer, the incoming water supersedes the existing water, achieving the concentration of the incoming water after subsurface mixing. Consequently, it is essential to assess the concentration reaching the lake to determine safety levels.  In the closure scenario, rainwater replaces the processed water as the infiltrating solution, resulting in gradual dilution and displacement of the original process water chemistry within the tailings sand. This natural attenuation process enhances subsurface water quality by reducing contaminant levels initially introduced by mining operations. In moraine, the incoming concentration from the sand supersedes that of the existing groundwater, leading to an increase in the concentration of the moraine layer. The study also examines travel times, indicating rapid particle movement through the sand layer and more variable travel times through the moraine layer, reflecting geological heterogeneities.  The study emphasises the importance to combine geochemical and hydrological models when evaluating tailings dam effects on the ecosystem in order to decrease the negative consequences of mining operations. The study recommends that future work should add dynamic situations and precise geochemical interactions to improve the knowledge of contaminant behaviour, while accepting limitations such as the assumption of steady-state flow and simplified geochemical processes.  Overall, this study contributes to the development of sustainable mining practices and the protection of surrounding water resources by providing a comprehensive analysis of a simple subsurface geochemical and hydrological processes and their impacts. / Denna studie fokuserar på partikelspårning av reaktiv transport med grundvatten i en avfallsdamm, specifikt vid Malmbergets gruva i norra Sverige. Förstå det geokemiska beteendet hos viktiga grundämnen och spårmetaller i den underjordiska miljön med fokus på avfallssand och moränlager. Föroreningarnas rörlighet och interaktioner under en tidsperiod simulerades med hjälp av avancerade modelleringsprogram som FASTREACT, PHREEQC och MIKE SHE.  Resultaten visar att huvudämnen som kalcium (Ca), natrium (Na) och sulfat (SO4) förblir stabila, vilket indikerar minimala geokemiska reaktioner i avfallssandskiktet. En minskning av pH, främst på grund av pyritoxidation, belyser viktiga geokemiska förändringar. Spårmetaller, inklusive kobolt (Co), koppar (Cu), nickel (Ni), strontium (Sr), uran (U) och zink (Zn), upprätthåller konstanta koncentrationer, vilket tillskrivs enhetligheten hos bearbetat vatten både som infiltrerande och befintlig lösning i avfallssanden. I moränskiktet ersätter det inkommande vattnet det befintliga vattnet och uppnår koncentrationen av det inkommande vattnet efter blandning under ytan. Följaktligen är det viktigt att bedöma koncentrationen som når sjön för att fastställa säkerhetsnivåer.  I stängningsscenariot ersätter regnvatten det processade vattnet som den infiltrerande lösningen, vilket resulterar i gradvis utspädning och förskjutning av den ursprungliga processvattenkemin i avfallssanden. Denna naturliga dämpningsprocess förbättrar vattenkvaliteten under ytan genom att minska föroreningsnivåerna som initialt introducerades av gruvdrift. I morän ersätter den inkommande koncentrationen från sanden den i det befintliga grundvattnet, vilket leder till en ökning av koncentrationen av moränlagret. Studien undersöker också restider, vilket indikerar snabb partikelrörelse genom sandlagret och mer varierande restider genom moränlagret, vilket återspeglar geologiska heterogeniteter.  Studien understryker vikten av att kombinera geokemiska och hydrologiska modeller vid utvärdering av avfallsdammseffekter på ekosystemet för att minska de negativa konsekvenserna av gruvdrift. Studien rekommenderar att framtida arbete bör lägga till dynamiska situationer och exakta geokemiska interaktioner för att förbättra kunskapen om föroreningars beteende, samtidigt som begränsningar som antagandet om steady-state flöde och förenklade geokemiska processer accepteras.  Sammantaget bidrar denna studie till utvecklingen av hållbara gruvdriftsmetoder och skyddet av omgivande vattenresurser genom att tillhandahålla en omfattande analys av en enkel underjordisk geokemiska och hydrologiska processer och deras effekter.

No description available.

<p>This study was made as a part of a feasibility study on a polishing wetland at Rimbo wastewater plant (wwp) in Norrtälje municipality. The wwp had to decrease the nitrogen discharge to reach the limit 15 mg tot-N/l. The nitrogen in the outlet was mainly in the form of nitrate, hence the wetland mainly ought to support denitrification. The proposed area for the wetland was situated right next to the wwp and was already in the municipalitys posession. One aim of this study was to examine what spieces of plants needed to achieve highest possible denitrification. Some different plant spieces for providing a good and interesting environment for birds and people were also proposed. Furthermore a massbalance model was developed for studying the important exchange processes in a wetland, to study the impact of an uneven streambed on the hyporheic water exchange and for trying to predict the wetlands nitrogen removal capacity. Proposed plants to support denitrification was different reeds such as Common reed (Phragmites australis), Bulrush (Typha), Reed Sweet-grass (Glyceria maxima) och Reed Canry-grass (Phalaris Arundinacea). Common reed is a durable species who can survive in deeper water up to 2 metres while the others need a shallower water about 0,5 m of depth. For the good of the birdlife, different spieces of Sedges (Carex) were chosen due to their ability to produce large amounts of nutrient rich seeds. Measurment in sediment cores from Ekeby wetland in Eskilstuna gave a potential denitrification capacity of 3,31 mg NO3-N m^-3 _sed s^-1. The denitrification capacity was then used in a massbalance model were the theory of advective pumping in an uneven bedsurface also was implemented. Evaluation of the model results showed that an uneven bedsurface did not contribute to an increased nitrogen removal from the wetland, possibly due to a far too low advection and flow of the water. This was also a reason to why the distribution between denitrification from the water- and plant community vs the sediment was unbalanced. The model results showed that less than 1 % of the reduced nitrogen came from the sediment part, in contrast to current knowledge that says about 50%. The model and the participating exchange processes need to be further evaluated before the models prediction of nitrogen removal can be used in design of a wetland. Calculations and comparisons with other wetlands showed that with a well estimated, grown up and maintained wetland, there should be no problems in achieving the goal of nitrogen removal in Rimbo wetland. Such a wetland should also provide a good habitat for birds and animals and also be a good recreationarea for people to visit, properties that were appreciated as important effects in other wetlands studied in this work.</p> / <p>Detta arbete gjordes som en del av en förstudie för anläggande av en efterpolerande våtmark till reningsverket i Rimbo, Norrtälje kommun. Reningsverket behövde sänka sitt utsläpp av kväve till riktvärdet 15 mg tot-N/l. Huvuddelen av kvävet i utloppsvattnet förelåg i nitratform, varför denitrifikationen borde förstärkas genom att anlägga en våtmark. Det tilltänkta området för våtmarken ligger i anslutning till reningsverket och ägs idag av kommunen. I detta arbete undersöktes vilken växtlighet i våtmarken som var lämpligast för syftet att få en så bra denitrifikation som möjligt. Även olika växtarter för att ge en intressant miljö för fåglar och människor togs fram. Dessutom utvecklades en massbalansmodell som användes för att studera de utbytesprocesser som är viktiga i en våtmark, frågan hur en ojämn bottenmorfometri påverkar det hyporheiska vattenutbytet samt om det går att förutsäga reningskapaciteten i Rimbo våtmark. Lämpliga växter för denitrifikationen ansågs vara vassbildande växter, och då främst främst bladvass (Phragmites australis), men även kaveldun (Typha), jättegröe (Glyceria maxima) och rörflen (Phalaris Arundinacea). Bladvass är en mycket tålig växt som klarar stort vattendjup, medan de andra vassorterna behöver en grundare våtmark på ca 0,5 m. För fågellivets bästa ansågs starrväxter (Carex) vara viktiga arter då de producerar stora mängder frön. Mätning av denitrifikationspotentialen i sediment från Ekeby våtmark gav en hastighet för denitrifikationen i sedimentet på 3,31 mg NO3-N m^-3 _sed s^-1. Denitrifikationen från sediment användes sedan i en massbalansmodell där även även teorin om advektivt pumputbyte vid ojämn bottenform implementerades. En utvärdering av modellresultaten kunde avgöra att en ojämn eller vågig bottenmorfometri inte skulle förbättra reningen i våtmarken. Detta beroende på bland annat för låg advektionshastighet och flöde. Detta låga flöde ned i sedimentet bidrog även till att fördelningen av kväveborttag från sediment respektive vatten- och växtdelen blev snedfördelad. Enligt modellen var det mindre än 1% av kvävet som togs bort från sedimentet medan all vetenskap tyder på närmare 50%. Modellen och de ingående utbytesprocesserna bör utvärderas och utvecklas ytterligare innan den kan användas som verktyg för att beräkna kvävereningen från en våtmark. Beräkningar och jämförelser med andra våtmarker visade dock att en väl beväxt, utförd och beskickad våtmark inte skulle ha några problem att sänka nitrathalten till riktvärdet. En våtmark skulle även utgöra en bra uppehållsmiljö för fåglar, djur och människor vilket anses som viktiga mervärden i våtmarker på andra platser i Sverige.</p>

<p>The carbon metabolism in costal sediments is of major importance for the global carbon cycle. Costal sediments are also subjected to physical forcing generating water fluxes above and through the sediments, but how the physical affect the carbon metabolism is currently poorly known. In this study, the effect of advective pore water flow on degradation of organic matter in permeable sandy sediment was investigated in a laboratory study during wintertime. Sediments were collected from both brackish water (Askö) and from a fresh water stream (Getå Stream). In two chamber experiments, with and without advective pore water flow, the degradation of organic matter was measured through carbon dioxide analysis from water and headspace. In Askö sediments mineralization rates ranged from 3.019 - 5.115 mmol C m-2 d-1 and 3.139 mmol C m-2 d-1 with and without advective pore water flow, respectively. Those results correspond with results from earlier studies of carbon mineralization rates in sediment in the North Sea and the Baltic Sea. There were no significant differences between the two groups in the Askö sediment. In Getå Stream sediments mineralization rates ranged between 4.059 mmol C m-2 d-1 and 6.806 mmol C m-2 d-1 with and without advective flow, respectively. The mineralization rates for Getå Stream correspond with earlier studies of carbon mineralization rates in a stream in New Hampshire.</p>

We study diffusion-reaction-advection models describing population dynamics of aquatic organisms subject to a constant drift, with reflecting upstream and outflow downstream boundary conditions. We consider three different models: single logistically growing species, two and three competing species. In the case of a single population, we determine conditions for existence, uniqueness and stability of non-trivial steady-state solutions. We analyze the dependence of such solutions on advection speed, growth rate and length of the habitat. Such analysis offers a possible explanation of the "drift paradox" in our context. We also introduce a spatially implicit ODE (nonspatial approximation) model which captures the essential behavior of the original PDE model. In the case of two competing species, we use a diffusion-advection version of the Lotka-Volterra competition model. Combining numerical and analytical techniques, in both the spatial and nonspatial approximation settings, we describe the effect of advection on competitive outcomes. Finally, in the case of three species, we use the nonspatial approximation approach to analyze and classify the possible scenarios as we change the flow speed in the habitat.

The carbon metabolism in costal sediments is of major importance for the global carbon cycle. Costal sediments are also subjected to physical forcing generating water fluxes above and through the sediments, but how the physical affect the carbon metabolism is currently poorly known. In this study, the effect of advective pore water flow on degradation of organic matter in permeable sandy sediment was investigated in a laboratory study during wintertime. Sediments were collected from both brackish water (Askö) and from a fresh water stream (Getå Stream). In two chamber experiments, with and without advective pore water flow, the degradation of organic matter was measured through carbon dioxide analysis from water and headspace. In Askö sediments mineralization rates ranged from 3.019 - 5.115 mmol C m-2 d-1 and 3.139 mmol C m-2 d-1 with and without advective pore water flow, respectively. Those results correspond with results from earlier studies of carbon mineralization rates in sediment in the North Sea and the Baltic Sea. There were no significant differences between the two groups in the Askö sediment. In Getå Stream sediments mineralization rates ranged between 4.059 mmol C m-2 d-1 and 6.806 mmol C m-2 d-1 with and without advective flow, respectively. The mineralization rates for Getå Stream correspond with earlier studies of carbon mineralization rates in a stream in New Hampshire.

We study diffusion-reaction-advection models describing population dynamics of aquatic organisms subject to a constant drift, with reflecting upstream and outflow downstream boundary conditions. We consider three different models: single logistically growing species, two and three competing species. In the case of a single population, we determine conditions for existence, uniqueness and stability of non-trivial steady-state solutions. We analyze the dependence of such solutions on advection speed, growth rate and length of the habitat. Such analysis offers a possible explanation of the "drift paradox" in our context. We also introduce a spatially implicit ODE (nonspatial approximation) model which captures the essential behavior of the original PDE model. In the case of two competing species, we use a diffusion-advection version of the Lotka-Volterra competition model. Combining numerical and analytical techniques, in both the spatial and nonspatial approximation settings, we describe the effect of advection on competitive outcomes. Finally, in the case of three species, we use the nonspatial approximation approach to analyze and classify the possible scenarios as we change the flow speed in the habitat.

This study was made as a part of a feasibility study on a polishing wetland at Rimbo wastewater plant (wwp) in Norrtälje municipality. The wwp had to decrease the nitrogen discharge to reach the limit 15 mg tot-N/l. The nitrogen in the outlet was mainly in the form of nitrate, hence the wetland mainly ought to support denitrification. The proposed area for the wetland was situated right next to the wwp and was already in the municipalitys posession. One aim of this study was to examine what spieces of plants needed to achieve highest possible denitrification. Some different plant spieces for providing a good and interesting environment for birds and people were also proposed. Furthermore a massbalance model was developed for studying the important exchange processes in a wetland, to study the impact of an uneven streambed on the hyporheic water exchange and for trying to predict the wetlands nitrogen removal capacity. Proposed plants to support denitrification was different reeds such as Common reed (Phragmites australis), Bulrush (Typha), Reed Sweet-grass (Glyceria maxima) och Reed Canry-grass (Phalaris Arundinacea). Common reed is a durable species who can survive in deeper water up to 2 metres while the others need a shallower water about 0,5 m of depth. For the good of the birdlife, different spieces of Sedges (Carex) were chosen due to their ability to produce large amounts of nutrient rich seeds. Measurment in sediment cores from Ekeby wetland in Eskilstuna gave a potential denitrification capacity of 3,31 mg NO3-N m-3 sed s-1. The denitrification capacity was then used in a massbalance model were the theory of advective pumping in an uneven bedsurface also was implemented. Evaluation of the model results showed that an uneven bedsurface did not contribute to an increased nitrogen removal from the wetland, possibly due to a far too low advection and flow of the water. This was also a reason to why the distribution between denitrification from the water- and plant community vs the sediment was unbalanced. The model results showed that less than 1 % of the reduced nitrogen came from the sediment part, in contrast to current knowledge that says about 50%. The model and the participating exchange processes need to be further evaluated before the models prediction of nitrogen removal can be used in design of a wetland. Calculations and comparisons with other wetlands showed that with a well estimated, grown up and maintained wetland, there should be no problems in achieving the goal of nitrogen removal in Rimbo wetland. Such a wetland should also provide a good habitat for birds and animals and also be a good recreationarea for people to visit, properties that were appreciated as important effects in other wetlands studied in this work. / Detta arbete gjordes som en del av en förstudie för anläggande av en efterpolerande våtmark till reningsverket i Rimbo, Norrtälje kommun. Reningsverket behövde sänka sitt utsläpp av kväve till riktvärdet 15 mg tot-N/l. Huvuddelen av kvävet i utloppsvattnet förelåg i nitratform, varför denitrifikationen borde förstärkas genom att anlägga en våtmark. Det tilltänkta området för våtmarken ligger i anslutning till reningsverket och ägs idag av kommunen. I detta arbete undersöktes vilken växtlighet i våtmarken som var lämpligast för syftet att få en så bra denitrifikation som möjligt. Även olika växtarter för att ge en intressant miljö för fåglar och människor togs fram. Dessutom utvecklades en massbalansmodell som användes för att studera de utbytesprocesser som är viktiga i en våtmark, frågan hur en ojämn bottenmorfometri påverkar det hyporheiska vattenutbytet samt om det går att förutsäga reningskapaciteten i Rimbo våtmark. Lämpliga växter för denitrifikationen ansågs vara vassbildande växter, och då främst främst bladvass (Phragmites australis), men även kaveldun (Typha), jättegröe (Glyceria maxima) och rörflen (Phalaris Arundinacea). Bladvass är en mycket tålig växt som klarar stort vattendjup, medan de andra vassorterna behöver en grundare våtmark på ca 0,5 m. För fågellivets bästa ansågs starrväxter (Carex) vara viktiga arter då de producerar stora mängder frön. Mätning av denitrifikationspotentialen i sediment från Ekeby våtmark gav en hastighet för denitrifikationen i sedimentet på 3,31 mg NO3-N m-3 sed s-1. Denitrifikationen från sediment användes sedan i en massbalansmodell där även även teorin om advektivt pumputbyte vid ojämn bottenform implementerades. En utvärdering av modellresultaten kunde avgöra att en ojämn eller vågig bottenmorfometri inte skulle förbättra reningen i våtmarken. Detta beroende på bland annat för låg advektionshastighet och flöde. Detta låga flöde ned i sedimentet bidrog även till att fördelningen av kväveborttag från sediment respektive vatten- och växtdelen blev snedfördelad. Enligt modellen var det mindre än 1% av kvävet som togs bort från sedimentet medan all vetenskap tyder på närmare 50%. Modellen och de ingående utbytesprocesserna bör utvärderas och utvecklas ytterligare innan den kan användas som verktyg för att beräkna kvävereningen från en våtmark. Beräkningar och jämförelser med andra våtmarker visade dock att en väl beväxt, utförd och beskickad våtmark inte skulle ha några problem att sänka nitrathalten till riktvärdet. En våtmark skulle även utgöra en bra uppehållsmiljö för fåglar, djur och människor vilket anses som viktiga mervärden i våtmarker på andra platser i Sverige.