Departament d'Enginyeria del Terreny, Cartogràfica i Geofísica (fins octubre de 2015)
http://hdl.handle.net/2117/95891
2024-03-28T19:08:41ZEstudio comparativo de métodos para la evaluación de la susceptibilidad del terreno a la formación de deslizamientos superficiales : aplicación al Pirineo Oriental
http://hdl.handle.net/2117/368000
Estudio comparativo de métodos para la evaluación de la susceptibilidad del terreno a la formación de deslizamientos superficiales : aplicación al Pirineo Oriental
Amorim, Samuel
Human and economic losses caused by landslides have attracted the interest of the scientific community for the identification of the threatened areas and preventing their consequences. The goal of the landslide susceptibility analysis is the identification of zones prone to produce slope failures, their size, and run-out, which is the first step of landslide risk management. During the last years new methods have been developed for landslide susceptibility assessment and zoning. Even though most of them yield satisfactory results few analyses exist on their performance and validation of the results. In this Thesis it has been performed a comparative analysis of three well known landslide susceptibility assessment methods: discriminant analysis (DA), logistic regression (LR) and neural networks (ANN). In order to compare, it has been required using a common metrics, the probability of slope failure, to express the terrain susceptibility; the same input data; and the analysis of the results cell by cell. The existing codes for LR and ANN allow the determination of the landslide susceptibility in terms of probability while for DA it has required a post-process of the results using the Bayes Theorem. The comparative study is based on the same input variables for the three procedures meaning that differences in the results should be the consequence of the discriminant capability of the generated models. The algorithm generated in this Thesis, based on the application of Boolean functions for all the possible combinations of the models selected and for all the susceptibility levels defined has the goal of comparing the results cell by cell. This has allowed concluding that the relative density indexes or the ROC curves show a similar global behaviour for all the models: However, the analysis cell by cell highlights significant differences on the performance of the models. All the methods have been applied to a pilot area of La Pobla de Lillet, Eastern Pyrenees, Spain. The results obtained with all three methods are similar, being the best performance that of discriminant analysis model closely followed by the rest for both the data sample used to generate the model and for the sample used for validation. The coincidence rate between models exceeds 87%. In order to evaluate the robustness of the methods used, it has been performed an external validation in the area of Berga located 20km Southwards from the former. In this application the coincidence level between models have been reduced to a slightly more than 66%. The results obtained in both pilot areas show a significant disagreement between the ANN and the other methods. It is particularly relevant that a percentage (although small) of cells considered of low landslide susceptibility are identified as of high susceptibility by the rest of the models and viceversa. The agreemnt between the DA and LR is much more consistent. Finally, the study has highlighted the sensitivity of all the models to the quality and resolution of the input data, in particular to the Digitial Elevation Model, the landslide inventoryand to the map of surficial formation. It was found that changing the minimum size of the inventoried failures allows a significant improvement of the results of the landslide susceptibility map; Las pérdidas humanas y económicas causadas por los deslizamientos en todo el mundo, ha despertado un interés creciente de la comunidad científica por la identificación de las áreas más afectadas y prevenir sus consecuencias. El análisis de la susceptibilidad de terreno a los deslizamientos tiene por objetivo identificar las zonas propensas a producir roturas, sus dimensiones y alcance, y constituye el primer eslabón de la gestión del riesgo. En los últimos años se han desarrollado diversos métodos para la evaluación y zonación de la susceptibilidad. Si bien la mayoría de ellos proporcionan resultados que han sido evaluados como satisfactorios, apenas se han realizado análisis que permitan comparar su desempeño y validar los resultados de sus predicciones.
En la presente Tesis se ha realizado un estudio comparativo de tres métodos muy extendidos de evaluación de la susceptibilidad: el análisis discriminante (AD), la regresión logística (RL) y las redes neuronales (RN). Para poder proceder a su comparación ha sido necesario utilizar una métrica común, la probabilidad de rotura, para expresar la susceptibilidad del terreno; los mismos datos de entrada y un análisis de los resultados celda a celda. Las aplicaciones existentes para la RL y las RN permiten obtener directamente la susceptibilidad de cada celda en términos de probabilidad mientras que para el AD ha sido necesario un tratamiento posterior aplicando el Teorema de Bayes.
El estudio comparativo ha considerado las mismas variables de entrada para los tres procedimientos, por lo que las diferencias en los resultados deberían ser consecuencia de la capacidad discriminante de los modelos generados. El algoritmo desarrollado en la Tesis, basado la aplicación de funciones booleanas para todas las combinaciones posibles de los diferentes modelos elegidos y los diferentes niveles de susceptibilidad establecidos, tiene como finalidad la comparación de los resultados obtenidos celda a celda. Esto ha permitido concluir que, si bien los índices de densidad relativa o las curvas ROC muestran un comportamiento similar en todos modelos a nivel global, el análisis celda a celda pone en evidencia diferencias significativas en el desempeño de los mismos. Los tres métodos han sido aplicados en un área piloto de La Pobla de Lillet, Pirineo Oriental. Los resultados obtenidos con los tres métodos son bastantes similares, siendo el modelo discriminante de forma general, el de mejor desempeño, seguido muy de cerca por los demás modelos, tanto en la muestra de datos utilizados para los cálculos como en la reservada para la validación, como considerando toda la extensión del área de estudio. El nivel de coincidencia entre los modelos supera el 87%. Para evaluar la robustez de los métodos utilizados se ha realizado una validación externa en el área de Berga, situada 20km al Sur de la anterior. En esta aplicación, el nivel de coincidencia entre los modelos se ha reducido a poco más del 66%. Los resultados obtenidos en las dos áreas de aplicación muestran también una notable desavenencia entre las RN y los demás modelos de carácter estadístico. Es especialmente relevante que un porcentaje (aunque pequeño) celdas consideradas de muy baja susceptibilidad por las RN son identificadas como de muy alta susceptibilidad por los otros modelos y viceversa. La concordancia entre los resultados del AD y RL es sensiblemente más consistente. Finalmente, el estudio ha puesto en evidencia la sensibilidad de todos los modelos a la calidad y resolución de los datos de entrada, en particular el Modelo Digital de Elevaciones, el inventario de roturas y el mapa de formaciones superficiales. Se ha podido comprobar que un cambio en el tamaño mínimo de las roturas inventariadas, permite mejorar de manera significativa los resultados de los mapas de susceptibilidad
2022-06-02T18:45:15ZAmorim, SamuelHuman and economic losses caused by landslides have attracted the interest of the scientific community for the identification of the threatened areas and preventing their consequences. The goal of the landslide susceptibility analysis is the identification of zones prone to produce slope failures, their size, and run-out, which is the first step of landslide risk management. During the last years new methods have been developed for landslide susceptibility assessment and zoning. Even though most of them yield satisfactory results few analyses exist on their performance and validation of the results. In this Thesis it has been performed a comparative analysis of three well known landslide susceptibility assessment methods: discriminant analysis (DA), logistic regression (LR) and neural networks (ANN). In order to compare, it has been required using a common metrics, the probability of slope failure, to express the terrain susceptibility; the same input data; and the analysis of the results cell by cell. The existing codes for LR and ANN allow the determination of the landslide susceptibility in terms of probability while for DA it has required a post-process of the results using the Bayes Theorem. The comparative study is based on the same input variables for the three procedures meaning that differences in the results should be the consequence of the discriminant capability of the generated models. The algorithm generated in this Thesis, based on the application of Boolean functions for all the possible combinations of the models selected and for all the susceptibility levels defined has the goal of comparing the results cell by cell. This has allowed concluding that the relative density indexes or the ROC curves show a similar global behaviour for all the models: However, the analysis cell by cell highlights significant differences on the performance of the models. All the methods have been applied to a pilot area of La Pobla de Lillet, Eastern Pyrenees, Spain. The results obtained with all three methods are similar, being the best performance that of discriminant analysis model closely followed by the rest for both the data sample used to generate the model and for the sample used for validation. The coincidence rate between models exceeds 87%. In order to evaluate the robustness of the methods used, it has been performed an external validation in the area of Berga located 20km Southwards from the former. In this application the coincidence level between models have been reduced to a slightly more than 66%. The results obtained in both pilot areas show a significant disagreement between the ANN and the other methods. It is particularly relevant that a percentage (although small) of cells considered of low landslide susceptibility are identified as of high susceptibility by the rest of the models and viceversa. The agreemnt between the DA and LR is much more consistent. Finally, the study has highlighted the sensitivity of all the models to the quality and resolution of the input data, in particular to the Digitial Elevation Model, the landslide inventoryand to the map of surficial formation. It was found that changing the minimum size of the inventoried failures allows a significant improvement of the results of the landslide susceptibility map
Las pérdidas humanas y económicas causadas por los deslizamientos en todo el mundo, ha despertado un interés creciente de la comunidad científica por la identificación de las áreas más afectadas y prevenir sus consecuencias. El análisis de la susceptibilidad de terreno a los deslizamientos tiene por objetivo identificar las zonas propensas a producir roturas, sus dimensiones y alcance, y constituye el primer eslabón de la gestión del riesgo. En los últimos años se han desarrollado diversos métodos para la evaluación y zonación de la susceptibilidad. Si bien la mayoría de ellos proporcionan resultados que han sido evaluados como satisfactorios, apenas se han realizado análisis que permitan comparar su desempeño y validar los resultados de sus predicciones.
En la presente Tesis se ha realizado un estudio comparativo de tres métodos muy extendidos de evaluación de la susceptibilidad: el análisis discriminante (AD), la regresión logística (RL) y las redes neuronales (RN). Para poder proceder a su comparación ha sido necesario utilizar una métrica común, la probabilidad de rotura, para expresar la susceptibilidad del terreno; los mismos datos de entrada y un análisis de los resultados celda a celda. Las aplicaciones existentes para la RL y las RN permiten obtener directamente la susceptibilidad de cada celda en términos de probabilidad mientras que para el AD ha sido necesario un tratamiento posterior aplicando el Teorema de Bayes.
El estudio comparativo ha considerado las mismas variables de entrada para los tres procedimientos, por lo que las diferencias en los resultados deberían ser consecuencia de la capacidad discriminante de los modelos generados. El algoritmo desarrollado en la Tesis, basado la aplicación de funciones booleanas para todas las combinaciones posibles de los diferentes modelos elegidos y los diferentes niveles de susceptibilidad establecidos, tiene como finalidad la comparación de los resultados obtenidos celda a celda. Esto ha permitido concluir que, si bien los índices de densidad relativa o las curvas ROC muestran un comportamiento similar en todos modelos a nivel global, el análisis celda a celda pone en evidencia diferencias significativas en el desempeño de los mismos. Los tres métodos han sido aplicados en un área piloto de La Pobla de Lillet, Pirineo Oriental. Los resultados obtenidos con los tres métodos son bastantes similares, siendo el modelo discriminante de forma general, el de mejor desempeño, seguido muy de cerca por los demás modelos, tanto en la muestra de datos utilizados para los cálculos como en la reservada para la validación, como considerando toda la extensión del área de estudio. El nivel de coincidencia entre los modelos supera el 87%. Para evaluar la robustez de los métodos utilizados se ha realizado una validación externa en el área de Berga, situada 20km al Sur de la anterior. En esta aplicación, el nivel de coincidencia entre los modelos se ha reducido a poco más del 66%. Los resultados obtenidos en las dos áreas de aplicación muestran también una notable desavenencia entre las RN y los demás modelos de carácter estadístico. Es especialmente relevante que un porcentaje (aunque pequeño) celdas consideradas de muy baja susceptibilidad por las RN son identificadas como de muy alta susceptibilidad por los otros modelos y viceversa. La concordancia entre los resultados del AD y RL es sensiblemente más consistente. Finalmente, el estudio ha puesto en evidencia la sensibilidad de todos los modelos a la calidad y resolución de los datos de entrada, en particular el Modelo Digital de Elevaciones, el inventario de roturas y el mapa de formaciones superficiales. Se ha podido comprobar que un cambio en el tamaño mínimo de las roturas inventariadas, permite mejorar de manera significativa los resultados de los mapas de susceptibilidadEvaluación probabilista del riesgo sísmico de edificios en zonas urbanas
http://hdl.handle.net/2117/176424
Evaluación probabilista del riesgo sísmico de edificios en zonas urbanas
Aguilar Meléndez, Armando
In the present work a probabilistic methodology to estimate the seismic risk of buildings in urban areas is proposed. The seismic risk obtained through this methodology is expressed in terms of annual probabilities of exceedance versus damage grades and losses. The proposed methodology is called LM1_P because it has as starting point the LM1 methodology of Risk-UE. This methodology is based on a probabilistic approach. In order to assess the seismic risk of buildings, the methodology takes into account the seismic hazard from the place where each building is located and the seismic vulnerability of each studied building. The seismic hazard is expressed in terms of exceedance rates of macroseismic intensities, and the seismic vulnerability from each building is expressed in terms of probability density functions that describe the probabilities related to different values of the vulnerability index. In this methodology, the expected seismic damage is assessed through a semi-empirical and deterministic function, which relates the seismic hazard and the seismic vulnerability. In order to facilitate the application of the LM1_P methodology, a computer code has been developed. This code called USERISK 2011 allows assessing the seismic risk of the buildings of any urban area. The seismic risk of the buildings of Barcelona was assessed using the LM1_P methodology. This assessment included the following two steps: the probabilistic seismic hazard assessment of Barcelona and the seismic vulnerability assessment of the buildings of Barcelona. According to the results, the macroseismic intensity equal to VI has, on average, a return period of 278 years. At the same time, the macroseismic intensity that in Barcelona has, on average, a return period of 475 years is a value equal to 6.3 (VI-VII). On the other hand, according to the results of seismic vulnerability, the probability that the vulnerability index of Barcelona will be greater than 0.5 ranges between 79.05% and 93.21%, with a mean value of 87.91%. Finally, according to the curves of the average seismic risk of Barcelona, the moderate damage grade has an average annual frequency of exceedance that ranges between 5.09 x 10-3 and 9.92 x 10-3, with a mean value of 7.26 x 10-3.; En el presente trabajo se propone una metodología probabilista para estimar el riesgo sísmico de edificios en zonas urbanas. El riesgo sísmico obtenido mediante dicha metodología se expresa en términos de probabilidades anuales de excedencia de estados de daño y pérdidas. La metodología propuesta se denomina LM1_P debido a que tiene como punto de partida la metodología LM1 de Risk-UE. Para estimar el riesgo sísmico de edificios mediante la metodología LM1_P, se considera la peligrosidad sísmica del sitio donde se localizan dichos edificios, y la vulnerabilidad sísmica de cada uno de los edificios estudiados, incorporando un enfoque probabilista. La peligrosidad sísmica se toma en cuenta mediante tasas de excedencia de intensidades macrosísmicas, y la vulnerabilidad sísmica de cada edificio se considera mediante funciones de probabilidad tipo beta, que indican las probabilidades de que se presenten diferentes valores de un índice de vulnerabilidad. En esta metodología, el daño físico directo esperado se estima mediante funciones semi-empíricas deterministas que relacionan la peligrosidad y la vulnerabilidad. Con la finalidad de facilitar la aplicación de la metodología LM1_P se ha desarrollado un código para ordenador. Dicho código denominado USERISK 2011 permite estimar el riesgo sísmico de los edificios de cualquier zona urbana. Para mostrar la aplicación de la metodología LM1_P se estimó el riesgo sísmico de los edificios de Barcelona. El procedimiento seguido para obtener dicho riesgo incluyó la estimación probabilista de la peligrosidad sísmica de Barcelona, y de la vulnerabilidad sísmica de los edificios de la ciudad. De acuerdo con los resultados en Barcelona la intensidad macrosísmica igual a VI, tiene en promedio un periodo de retorno de 278 años. Mientras que la intensidad macrosísmica que en la ciudad tiene un periodo de retorno de 475 años es un valor de 6.3 (VI-VII). Respecto a los resultados de vulnerabilidad sísmica es posible destacar que de acuerdo con las curvas de vulnerabilidad promedio, la probabilidad de que en Barcelona el índice de vulnerabilidad sea mayor que 0.5 varía entre el 79.05% y el 93.21%, con un valor medio del 87.91%. En cuanto al riesgo sísmico es posible identificar que de acuerdo con las curvas de riesgo sísmico promedio, el grado de daño moderado en Barcelona tiene una frecuencia anual de excedencia promedio que varía entre 5.09 x 10-3 y 9.92 x 10-3, con un valor medio de 7.26 x 10-3.
2020-02-03T01:00:29ZAguilar Meléndez, ArmandoIn the present work a probabilistic methodology to estimate the seismic risk of buildings in urban areas is proposed. The seismic risk obtained through this methodology is expressed in terms of annual probabilities of exceedance versus damage grades and losses. The proposed methodology is called LM1_P because it has as starting point the LM1 methodology of Risk-UE. This methodology is based on a probabilistic approach. In order to assess the seismic risk of buildings, the methodology takes into account the seismic hazard from the place where each building is located and the seismic vulnerability of each studied building. The seismic hazard is expressed in terms of exceedance rates of macroseismic intensities, and the seismic vulnerability from each building is expressed in terms of probability density functions that describe the probabilities related to different values of the vulnerability index. In this methodology, the expected seismic damage is assessed through a semi-empirical and deterministic function, which relates the seismic hazard and the seismic vulnerability. In order to facilitate the application of the LM1_P methodology, a computer code has been developed. This code called USERISK 2011 allows assessing the seismic risk of the buildings of any urban area. The seismic risk of the buildings of Barcelona was assessed using the LM1_P methodology. This assessment included the following two steps: the probabilistic seismic hazard assessment of Barcelona and the seismic vulnerability assessment of the buildings of Barcelona. According to the results, the macroseismic intensity equal to VI has, on average, a return period of 278 years. At the same time, the macroseismic intensity that in Barcelona has, on average, a return period of 475 years is a value equal to 6.3 (VI-VII). On the other hand, according to the results of seismic vulnerability, the probability that the vulnerability index of Barcelona will be greater than 0.5 ranges between 79.05% and 93.21%, with a mean value of 87.91%. Finally, according to the curves of the average seismic risk of Barcelona, the moderate damage grade has an average annual frequency of exceedance that ranges between 5.09 x 10-3 and 9.92 x 10-3, with a mean value of 7.26 x 10-3.
En el presente trabajo se propone una metodología probabilista para estimar el riesgo sísmico de edificios en zonas urbanas. El riesgo sísmico obtenido mediante dicha metodología se expresa en términos de probabilidades anuales de excedencia de estados de daño y pérdidas. La metodología propuesta se denomina LM1_P debido a que tiene como punto de partida la metodología LM1 de Risk-UE. Para estimar el riesgo sísmico de edificios mediante la metodología LM1_P, se considera la peligrosidad sísmica del sitio donde se localizan dichos edificios, y la vulnerabilidad sísmica de cada uno de los edificios estudiados, incorporando un enfoque probabilista. La peligrosidad sísmica se toma en cuenta mediante tasas de excedencia de intensidades macrosísmicas, y la vulnerabilidad sísmica de cada edificio se considera mediante funciones de probabilidad tipo beta, que indican las probabilidades de que se presenten diferentes valores de un índice de vulnerabilidad. En esta metodología, el daño físico directo esperado se estima mediante funciones semi-empíricas deterministas que relacionan la peligrosidad y la vulnerabilidad. Con la finalidad de facilitar la aplicación de la metodología LM1_P se ha desarrollado un código para ordenador. Dicho código denominado USERISK 2011 permite estimar el riesgo sísmico de los edificios de cualquier zona urbana. Para mostrar la aplicación de la metodología LM1_P se estimó el riesgo sísmico de los edificios de Barcelona. El procedimiento seguido para obtener dicho riesgo incluyó la estimación probabilista de la peligrosidad sísmica de Barcelona, y de la vulnerabilidad sísmica de los edificios de la ciudad. De acuerdo con los resultados en Barcelona la intensidad macrosísmica igual a VI, tiene en promedio un periodo de retorno de 278 años. Mientras que la intensidad macrosísmica que en la ciudad tiene un periodo de retorno de 475 años es un valor de 6.3 (VI-VII). Respecto a los resultados de vulnerabilidad sísmica es posible destacar que de acuerdo con las curvas de vulnerabilidad promedio, la probabilidad de que en Barcelona el índice de vulnerabilidad sea mayor que 0.5 varía entre el 79.05% y el 93.21%, con un valor medio del 87.91%. En cuanto al riesgo sísmico es posible identificar que de acuerdo con las curvas de riesgo sísmico promedio, el grado de daño moderado en Barcelona tiene una frecuencia anual de excedencia promedio que varía entre 5.09 x 10-3 y 9.92 x 10-3, con un valor medio de 7.26 x 10-3.Thermo-hydro-mechanical coupled analysis in low permeability media
http://hdl.handle.net/2117/107703
Thermo-hydro-mechanical coupled analysis in low permeability media
Sánchez Castilla, Marcelo
El análisis de problemas Termo-Hidro-Mecánicos (THM) en medios de baja permeabilidad es un problema complejo en el cual confluyen diversos factores. Esta Tesis está orientada principalmente al estudio de procesos THM acoplados en barreras de ingeniería destinadas al almacenamiento de residuos radiactivos. Especial atención se ha dedicado al estudio de arcillas expansivas. Diversos ensayos de laboratorio han mostrado la fuerte influencia que tiene la estructura de poros en el comportamiento THM de arcillas expansivas. Una motivación de este trabajo es la inclusión de la fábrica del material en el análisis de problemas de ingeniería en medios geológicos.
Una formulación THM de doble estructura, desarrollada para medios porosos que presentan dos tipos característicos de vacíos se propone en esta Tesis. La formulación expresa en forma matemática los diversos fenómenos THM considerados relevantes en cada nivel estructural y las principales interacciones entre ellos. Conceptos de doble porosidad han sido utilizados para su desarrollo. La formulación permite considerar flujo no-saturado en condiciones no isotermas, acoplados con las deformaciones de cada medio. Un aspecto importante del marco propuesto es el modelo constitutivo mecánico. Dos niveles estructurales han sido explícitamente incluidos en el modelo. La macroestructura considera el esqueleto granular conformado por los agregados de arcilla, mientras que la microestructura está asociada con las partículas de arcilla, responsables del comportamiento expansivo de estos materiales. El modelo mecánico se completa estableciendo la interacción entre los dos niveles estructurales. El modelo se ha formulado considerando conceptos de elasto-plasticidad para materiales con endurecimiento por deformación y también conceptos de la teoría de la plasticidad generalizada. La formulación se ha implementado en el programa de elementos finitos CODE_BRIGHT y se la ha utilizado para resolver diferentes problemas de ingeniería.
La formulación THM de doble estructura propuesta es general y no se limita al análisis de problemas relacionados con materiales expansivos. Por ejemplo, la aplicación al problema de consolidación en arcillas fisuradas se presenta en esta Tesis. Se modela también la extracción de petróleo, asistida mediante inyección de agua a presión, en un medio heterogéneo.
La validación experimental de la formulación es una parte importante del trabajo realizado. Esta tarea se ha apoyado principalmente en los datos experimentales generados en el marco del proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment). Los resultados de los ensayos de laboratorio se han utilizado para identificar gran parte de los parámetros de las leyes constitutivas asociadas al problema térmico e hidráulico, como así también para validar el modelo constitutivo mecánico. Además, un ensayo de hidratación y calentamiento a escala real, ha permitido la aplicación de la formulación a un caso real en el que se tienen disponible información experimental de las principales variables THM. La evolución del ensayo de calentamiento ha sido analizada en detalle, centrando la atención en el estudio de una disminución, no esperada, de la tasa de hidratación de la barrera. La influencia de la fábrica de las arcillas expansivas (y su evolución) en el campo de permeabilidad se ha incluido en los análisis como elemento de ayuda en la explicación del comportamiento no esperado de la barrera. El ensayo también ha sido analizado considerando la presencia de otros fenómenos observados en estos materiales, tales como la existencia de un gradiente umbral en la ley de flujo o la influencia de efectos termo-osmóticos.; Thermo-Hydro-Mechanical (THM) analysis of engineering problems involving low permeability materials is a complex problem in which several factors make significant contributions. This Thesis is aimed mainly to the study of coupled THM process in engineered clay barriers and seals designed for the isolation of radioactive waste. Therefore, special attention has been placed on expansive clay behaviour. In the last few years, several laboratory investigations have shown the strong influence of pore structure on THM behaviour of swelling materials. Therefore, a main objective of this Thesis is the proposal of a THM framework which allows the inclusion of the effects of the material fabric on the analyses of real problems in geological media.
A general double structure THM formulation developed for porous media in which two distinctive types of voids are present has been proposed. This formulation expresses in a mathematical way the various THM phenomena deemed relevant in each structural level, and their main interactions. Concepts of double porosity theory have been used to extend a fully coupled THM single porosity formulation to the case of double structure media. The approach is able to handle non-saturated, non-isothermal multiphase flows coupled with the deformations of each medium. A central part of the approach is the mechanical constitutive law, a key point in the modelling of the expansive clay behaviour. The existence of two structural levels (a macrostructural one and the microstructural one) has been explicitly included in the model. The macrostructure accounts for the large scale structure of the material, while the microstructure is associated with the active clay particles responsible for the swelling behaviour. The mechanical law is completed by establishing the interaction between the two structural levels. The model has been formulated using concepts of elasto-plasticity for strain hardening materials and generalized plasticity theory. The formulation has been implemented in the finite element program CODE_BRIGHT and has been used to solve a variety of problems.
The proposed double structure THM formulation is general and it is not limited to analyze problems in which expansive materials are involved. For instance, the problem of consolidation in fissured clays has been presented in this Thesis, as well as, the simulation of a water-flooding process in a petroleum exploitation.
Work has also been performed toward the experimental validation of the suggested approach. This work has been mainly supported by experimental data generated in the framework of the FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) project. The data of laboratory tests have been used to identify the main parameters of the constitutive laws related to the thermal and hydraulic problems and, also, to validate the mechanical constitutive model. In addition, a large scale heating test has allowed the application of the approach to an actual case in which experimental information of the main THM variables are available. The evolution of the heating test has been analyzed in detail, focusing the study on the unexpected slowing down hydration observed. The effect of the clay-fabric evolution and its influence on the permeability field has been included in the analysis to help to explain the barrier behaviour. The heating test has also been analyzed considering the presence of other flow phenomena such as the existence of a threshold gradient and the influence of thermo-osmotic effects.
2017-09-12T09:40:27ZSánchez Castilla, MarceloEl análisis de problemas Termo-Hidro-Mecánicos (THM) en medios de baja permeabilidad es un problema complejo en el cual confluyen diversos factores. Esta Tesis está orientada principalmente al estudio de procesos THM acoplados en barreras de ingeniería destinadas al almacenamiento de residuos radiactivos. Especial atención se ha dedicado al estudio de arcillas expansivas. Diversos ensayos de laboratorio han mostrado la fuerte influencia que tiene la estructura de poros en el comportamiento THM de arcillas expansivas. Una motivación de este trabajo es la inclusión de la fábrica del material en el análisis de problemas de ingeniería en medios geológicos.
Una formulación THM de doble estructura, desarrollada para medios porosos que presentan dos tipos característicos de vacíos se propone en esta Tesis. La formulación expresa en forma matemática los diversos fenómenos THM considerados relevantes en cada nivel estructural y las principales interacciones entre ellos. Conceptos de doble porosidad han sido utilizados para su desarrollo. La formulación permite considerar flujo no-saturado en condiciones no isotermas, acoplados con las deformaciones de cada medio. Un aspecto importante del marco propuesto es el modelo constitutivo mecánico. Dos niveles estructurales han sido explícitamente incluidos en el modelo. La macroestructura considera el esqueleto granular conformado por los agregados de arcilla, mientras que la microestructura está asociada con las partículas de arcilla, responsables del comportamiento expansivo de estos materiales. El modelo mecánico se completa estableciendo la interacción entre los dos niveles estructurales. El modelo se ha formulado considerando conceptos de elasto-plasticidad para materiales con endurecimiento por deformación y también conceptos de la teoría de la plasticidad generalizada. La formulación se ha implementado en el programa de elementos finitos CODE_BRIGHT y se la ha utilizado para resolver diferentes problemas de ingeniería.
La formulación THM de doble estructura propuesta es general y no se limita al análisis de problemas relacionados con materiales expansivos. Por ejemplo, la aplicación al problema de consolidación en arcillas fisuradas se presenta en esta Tesis. Se modela también la extracción de petróleo, asistida mediante inyección de agua a presión, en un medio heterogéneo.
La validación experimental de la formulación es una parte importante del trabajo realizado. Esta tarea se ha apoyado principalmente en los datos experimentales generados en el marco del proyecto FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment). Los resultados de los ensayos de laboratorio se han utilizado para identificar gran parte de los parámetros de las leyes constitutivas asociadas al problema térmico e hidráulico, como así también para validar el modelo constitutivo mecánico. Además, un ensayo de hidratación y calentamiento a escala real, ha permitido la aplicación de la formulación a un caso real en el que se tienen disponible información experimental de las principales variables THM. La evolución del ensayo de calentamiento ha sido analizada en detalle, centrando la atención en el estudio de una disminución, no esperada, de la tasa de hidratación de la barrera. La influencia de la fábrica de las arcillas expansivas (y su evolución) en el campo de permeabilidad se ha incluido en los análisis como elemento de ayuda en la explicación del comportamiento no esperado de la barrera. El ensayo también ha sido analizado considerando la presencia de otros fenómenos observados en estos materiales, tales como la existencia de un gradiente umbral en la ley de flujo o la influencia de efectos termo-osmóticos.
Thermo-Hydro-Mechanical (THM) analysis of engineering problems involving low permeability materials is a complex problem in which several factors make significant contributions. This Thesis is aimed mainly to the study of coupled THM process in engineered clay barriers and seals designed for the isolation of radioactive waste. Therefore, special attention has been placed on expansive clay behaviour. In the last few years, several laboratory investigations have shown the strong influence of pore structure on THM behaviour of swelling materials. Therefore, a main objective of this Thesis is the proposal of a THM framework which allows the inclusion of the effects of the material fabric on the analyses of real problems in geological media.
A general double structure THM formulation developed for porous media in which two distinctive types of voids are present has been proposed. This formulation expresses in a mathematical way the various THM phenomena deemed relevant in each structural level, and their main interactions. Concepts of double porosity theory have been used to extend a fully coupled THM single porosity formulation to the case of double structure media. The approach is able to handle non-saturated, non-isothermal multiphase flows coupled with the deformations of each medium. A central part of the approach is the mechanical constitutive law, a key point in the modelling of the expansive clay behaviour. The existence of two structural levels (a macrostructural one and the microstructural one) has been explicitly included in the model. The macrostructure accounts for the large scale structure of the material, while the microstructure is associated with the active clay particles responsible for the swelling behaviour. The mechanical law is completed by establishing the interaction between the two structural levels. The model has been formulated using concepts of elasto-plasticity for strain hardening materials and generalized plasticity theory. The formulation has been implemented in the finite element program CODE_BRIGHT and has been used to solve a variety of problems.
The proposed double structure THM formulation is general and it is not limited to analyze problems in which expansive materials are involved. For instance, the problem of consolidation in fissured clays has been presented in this Thesis, as well as, the simulation of a water-flooding process in a petroleum exploitation.
Work has also been performed toward the experimental validation of the suggested approach. This work has been mainly supported by experimental data generated in the framework of the FEBEX (Full-scale Engineered Barriers Experiment) project. The data of laboratory tests have been used to identify the main parameters of the constitutive laws related to the thermal and hydraulic problems and, also, to validate the mechanical constitutive model. In addition, a large scale heating test has allowed the application of the approach to an actual case in which experimental information of the main THM variables are available. The evolution of the heating test has been analyzed in detail, focusing the study on the unexpected slowing down hydration observed. The effect of the clay-fabric evolution and its influence on the permeability field has been included in the analysis to help to explain the barrier behaviour. The heating test has also been analyzed considering the presence of other flow phenomena such as the existence of a threshold gradient and the influence of thermo-osmotic effects.Assessment of the magnitude-frequency relationship of landslides and rockfalls : application to hazard mapping
http://hdl.handle.net/2117/96073
Assessment of the magnitude-frequency relationship of landslides and rockfalls : application to hazard mapping
Domènech Surinyach, Guillem
Due to the exponential grown of the population within the last decades, the landslide hazard assessment of earthflows and rockfalls and their hazard mapping have become an essential tool for the territory management, mostly in mountainous areas.
The landslide hazard was defined as the probability of occurrence of a potentially damaging phenomenon in a certain area and within a given period of time. Thus, the probability of occurrence (or frequency) for each type of landslide and magnitude must be known.
The aim of this research is to develop an objective, quantitative and reproducible methodology to obtain the magnitude-frequency relations for medium and large size earthflows and rockfalls. This procedure has been set up in the Barcedana Valley and Montsec Range for large earthflows and rockfalls, respectively. Both study areas are located within the Tremp Basin (Eastern Pyrenees).
Concerning the earthflows, they have been split between 1) reactivations and 2) intact slopes. The frequency of the reactivations has been obtained by analysing 11 sets of orthophotos covering a period from 1956 to 2013. The magnitude has been calculated as the area of the landslides obtained from the landslide mapping and from the orthophotos.
The resulting magnitude-frequency relation for reactivations has been used to derive the probability of landslide reactivation for a given volume. It has been compared with probability of landslide reactivation obtained from the rainfall threshold responsible for the reactivation of 4-large landslides located within the Tremp Basin as well. The reactivation date has been estimated by means of dendrogeomorphology and the rainfall threshold has been determined by means of ROC analysis.
The susceptibility of first-time slope failures have been obtained using a deterministic model named SINMAP. The frequency for each susceptibility class has been calculated using the inventory of first-time failures identified in the field and by means of orthophotos.
An algorithm to obtain the area of the earthflows larger than the pixel size has been developed through an automatic aggregation of pixels located within the same slope and having the same susceptibility class. The obtained magnitude-frequency relation of first-time failures has been compared with the one obtained from the mapped first-time failures. Finally, the magnitude-frequency matrix for hazard mapping of intact slopes has been defined.
Concerning the rockfalls, a methodology to obtain the rockfall scar size distribution of a cliff has been defined. It has been assumed the rockfall scar volumes as proxy for the rockfall volumes. In that case, the distribution of rockfall scars has been calculated using a high resolution point cloud of the rockwall obtained by a terrestrial laser scanner and following. Several volume distributions have been calculated to take into account the different detachment mechanisms and the consequent range of detached volumes.
Finally, a procedure has been developed to convert form statistical frequency (% of scar volumes), calculated in the previous step, to temporal frequency (annual number of the scar volumes). To this, the total volume of material lost has been computed using the afore-mentioned point cloud. The elapsed time within the total volume has been removed has been estimated by dating the initial surface, from which the current rockfall activity started, by means of terrestrial cosmogenic nuclide, 36Cl.; Degut al creixement exponencial de la població durant les últimes dècades, l’avaluació de la perillositat de colades de terra i despreniments i la seva zonificació han esdevingut eines fonamentals pel que fa a la planificació del territori, sobretot en zones muntanyoses.
La perillositat degut a fenòmens de vessant va ser definida com la probabilitat d’ocurrència d’un fenomen potencialment danyí en una determinada àrea i per un determinat període de temps. D’aquesta manera, és necessari conèixer la probabilitat d’ocurrència (o freqüència) per cada tipus d’esllavissada i magnitud.
L’objectiu d’aquesta tesis és el desenvolupament d’una metodologia objectiva, quantitativa i reproduïble que permeti l’obtenció de les relacions magnitud-freqüència per colades de terra, de mida mitja i gran i per despreniments. Aquest procediment s’ha aplicat a la Vall de Barcedana i la Serra del Montsec per grans colades de terra i despreniments, respectivament. Les dues àrees d’estudi estan situades dins de la Conca de Tremp (Pirineu Oriental).
Pel que fa a les colades de terra, s’ha distingit entre 1) reactivacions i 2) vessants intactes. La freqüència de les reactivacions s’ha obtingut a partir de l’anàlisi d’11 grups d’ortofotos que cobreixen des del 1956 al 2013. La magnitud s’ha calculat com l’àrea de les trencades mitjançant la cartografia d’esllavissades i les ortofotos. La relació magnitud-freqüència resultant de les reactivacions ha servit per obtenir la probabilitat de reactivació per un determinat volum. Aquesta ha estat comparada amb la probabilitat de reactivació determinada a partir dels llindars de pluja que han donat lloc a la reactivació de 4 grans esllavissades, també situades dins la Conca de Tremp. Les dates de reactivació han estat aproximades mitjançant la dendrogeomorfologia i els llindars s’han determinat mitjançant l’anàlisi ROC.
La susceptibilitat de les primeres trenades s’ha obtingut mitjançant un model determinista anomenat SINMAP. La freqüència per cada classe de susceptibilitat s’ha calculat mitjançant un inventari de primeres trencades identificades al camp i a través d’ortofotos.
S’ha desenvolupat un algoritme per tal d’obtenir l’àrea de les colades de terra més grans que la mida del píxel a través de l’agregació automàtic de píxels situats en un mateix vessant i que presenten una mateix classe de susceptibilitat. Finalment, s’ha definit la matriu magnitudfreqüència
per la zonificació de la perillositat dels vessants intactes.
Pel que fa als despreniments, s’ha definit una metodologia per obtenir la distribució de volums de cicatrius de despreniments d’un penya-segat. S’ha assumit que els volums de cicatrius de despreniments poden ser una primera aproximació dels volum de despreniments. En aquest cas,
la distribució de les cicatrius de despreniments s’ha calculat utilitzant un núvol de punts d’alta resolució de la paret obtingut amb un LIDAR terrestre. S’han calculat vàries distribucions de volums per tal de tenir en compte els diferents mecanismes de despreniment i el conseqüent
rang de volums despresos.
Finalment, s’ha proposat una metodologia per tal de convertir la freqüència estadística (% de volums de cicatrius), calculada en el pas anterior, a freqüència temporal (número anual de volums de cicatrius). Per això, el volum total de material desprès s’ha calculat mitjançant el núvol de punts, mencionat anteriorment. El període de temps durant el qual s’ha desprès tot el volum de material s’ha estimat mitjançant la datació de la superfície inicial a partir de la qual va començar l’actual activitat de despreniments. Aquesta datació s’ha fet mitjançant l’isòtop cosmogenic, 36Cl.; Debido al crecimiento exponencial de la población durante las últimas décadas, la evaluación de la peligrosidad de coladas de tierra y desprendimientos i su zonificación se ha convertido en herramientas indispensables para la planificación del territorio, sobretodo en zonas montañosas.
La peligrosidad debido a fenómenos de vertiente fue definida como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno potencialmente dañino en una determinada área y en un determinado período de tiempo. Así, es necesario conocer la probabilidad de ocurrencia (o frecuencia) para cada tipo de deslizamiento y magnitud.
El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una metodología objetiva, cuantitativa y reproducible que permita la obtención de las relaciones magnitud-frecuencia para coladas de tierra, de tamaño medio y grande y para desprendimientos. Este procedimiento se ha aplicado en Valle de Barcedana y en la Sierra del Montsec para grandes coladas de tierra y desprendimientos, respectivamente. Las dos áreas de estudio están
situadas dentro de la Cuenca de Tremp (Pirineo Oriental).
En cuanto a las coladas de tierra, se ha distinguido entre 1) reactivaciones y 2) vertientes intactos. La frecuencia de las reactivaciones se ha obtenido a partir del análisis de 11 grupos de ortofotos que engloban des del 1956 hasta el 2013. La magnitud se ha calculado como el área de
las roturas mediante la cartografía de deslizamientos y ortofotos.
La relación magnitud-frecuencia de las reactivaciones ha permitido obtener la probabilidad de reactivación per un determinado volumen. Esta ha sido comparada con la probabilidad de reactivación determinada a partir de los umbrales de lluvia que han dado lugar a la reactivación de 4 grandes deslizamientos, también situados dentro de la Cuenca de Tremp. Las fechas de reactivación han sido aproximadas mediante la dendrogeomorfología y los umbrales se han determinado mediante el análisis ROC.
La susceptibilidad de las primeras roturas se ha obtenido mediante un modelo determinista llamado SINMAP. La frecuencia para cada clase de susceptibilidad se ha calculado mediante un inventario de primeras roturas identificadas en el campo y a través de ortofotos.
Se ha desarrollado un algoritmo para obtener el área de las coladas de tierra más grandes que el tamaño del píxel a través de la agregación automática de píxeles situados en una misma vertiente y que presentan una misma clase de susceptibilidad. Finalmente, se ha definido la
matriz magnitud-frecuencia para la zonificación de la peligrosidad de las vertientes intactas.
En lo que concierne a los desprendimientos, se ha definido una metodología para obtener la distribución de volúmenes de cicatrices de desprendimientos de un acantilado. Se ha asumido que los volúmenes de cicatrices de desprendimientos pueden ser una primera aproximación de
los volúmenes de desprendimientos. En este caso, la distribución de las cicatrices de desprendimientos se ha calculado utilizando una nube de puntos de alta resolución de la pared obtenida con un LIDAR terrestre. Se han calculado varias distribuciones de volúmenes para tener en cuenta los diferentes mecanismos de desprendimiento y el consecuente rango de volúmenes desprendidos.
Finalmente, se ha propuesto una metodología para transformar la frecuencia estadística (% de volúmenes de cicatrices), calculada en el paso anterior, en frecuencia temporal (número anual de volúmenes de cicatrices). Para esto, el volumen de material desprendido se ha calculado
mediante la susodicha nube de puntos. El período de tiempo durante el cual se ha desprendido la totalidad del volumen de material se ha estimado mediante la datación de la superficie inicial a partir de la cual empezó la actual actividad de desprendimientos. Esta datación se ha hecho
mediante el isótopo cosmogénico 36Cl.
2016-11-09T13:57:46ZDomènech Surinyach, GuillemDue to the exponential grown of the population within the last decades, the landslide hazard assessment of earthflows and rockfalls and their hazard mapping have become an essential tool for the territory management, mostly in mountainous areas.
The landslide hazard was defined as the probability of occurrence of a potentially damaging phenomenon in a certain area and within a given period of time. Thus, the probability of occurrence (or frequency) for each type of landslide and magnitude must be known.
The aim of this research is to develop an objective, quantitative and reproducible methodology to obtain the magnitude-frequency relations for medium and large size earthflows and rockfalls. This procedure has been set up in the Barcedana Valley and Montsec Range for large earthflows and rockfalls, respectively. Both study areas are located within the Tremp Basin (Eastern Pyrenees).
Concerning the earthflows, they have been split between 1) reactivations and 2) intact slopes. The frequency of the reactivations has been obtained by analysing 11 sets of orthophotos covering a period from 1956 to 2013. The magnitude has been calculated as the area of the landslides obtained from the landslide mapping and from the orthophotos.
The resulting magnitude-frequency relation for reactivations has been used to derive the probability of landslide reactivation for a given volume. It has been compared with probability of landslide reactivation obtained from the rainfall threshold responsible for the reactivation of 4-large landslides located within the Tremp Basin as well. The reactivation date has been estimated by means of dendrogeomorphology and the rainfall threshold has been determined by means of ROC analysis.
The susceptibility of first-time slope failures have been obtained using a deterministic model named SINMAP. The frequency for each susceptibility class has been calculated using the inventory of first-time failures identified in the field and by means of orthophotos.
An algorithm to obtain the area of the earthflows larger than the pixel size has been developed through an automatic aggregation of pixels located within the same slope and having the same susceptibility class. The obtained magnitude-frequency relation of first-time failures has been compared with the one obtained from the mapped first-time failures. Finally, the magnitude-frequency matrix for hazard mapping of intact slopes has been defined.
Concerning the rockfalls, a methodology to obtain the rockfall scar size distribution of a cliff has been defined. It has been assumed the rockfall scar volumes as proxy for the rockfall volumes. In that case, the distribution of rockfall scars has been calculated using a high resolution point cloud of the rockwall obtained by a terrestrial laser scanner and following. Several volume distributions have been calculated to take into account the different detachment mechanisms and the consequent range of detached volumes.
Finally, a procedure has been developed to convert form statistical frequency (% of scar volumes), calculated in the previous step, to temporal frequency (annual number of the scar volumes). To this, the total volume of material lost has been computed using the afore-mentioned point cloud. The elapsed time within the total volume has been removed has been estimated by dating the initial surface, from which the current rockfall activity started, by means of terrestrial cosmogenic nuclide, 36Cl.
Degut al creixement exponencial de la població durant les últimes dècades, l’avaluació de la perillositat de colades de terra i despreniments i la seva zonificació han esdevingut eines fonamentals pel que fa a la planificació del territori, sobretot en zones muntanyoses.
La perillositat degut a fenòmens de vessant va ser definida com la probabilitat d’ocurrència d’un fenomen potencialment danyí en una determinada àrea i per un determinat període de temps. D’aquesta manera, és necessari conèixer la probabilitat d’ocurrència (o freqüència) per cada tipus d’esllavissada i magnitud.
L’objectiu d’aquesta tesis és el desenvolupament d’una metodologia objectiva, quantitativa i reproduïble que permeti l’obtenció de les relacions magnitud-freqüència per colades de terra, de mida mitja i gran i per despreniments. Aquest procediment s’ha aplicat a la Vall de Barcedana i la Serra del Montsec per grans colades de terra i despreniments, respectivament. Les dues àrees d’estudi estan situades dins de la Conca de Tremp (Pirineu Oriental).
Pel que fa a les colades de terra, s’ha distingit entre 1) reactivacions i 2) vessants intactes. La freqüència de les reactivacions s’ha obtingut a partir de l’anàlisi d’11 grups d’ortofotos que cobreixen des del 1956 al 2013. La magnitud s’ha calculat com l’àrea de les trencades mitjançant la cartografia d’esllavissades i les ortofotos. La relació magnitud-freqüència resultant de les reactivacions ha servit per obtenir la probabilitat de reactivació per un determinat volum. Aquesta ha estat comparada amb la probabilitat de reactivació determinada a partir dels llindars de pluja que han donat lloc a la reactivació de 4 grans esllavissades, també situades dins la Conca de Tremp. Les dates de reactivació han estat aproximades mitjançant la dendrogeomorfologia i els llindars s’han determinat mitjançant l’anàlisi ROC.
La susceptibilitat de les primeres trenades s’ha obtingut mitjançant un model determinista anomenat SINMAP. La freqüència per cada classe de susceptibilitat s’ha calculat mitjançant un inventari de primeres trencades identificades al camp i a través d’ortofotos.
S’ha desenvolupat un algoritme per tal d’obtenir l’àrea de les colades de terra més grans que la mida del píxel a través de l’agregació automàtic de píxels situats en un mateix vessant i que presenten una mateix classe de susceptibilitat. Finalment, s’ha definit la matriu magnitudfreqüència
per la zonificació de la perillositat dels vessants intactes.
Pel que fa als despreniments, s’ha definit una metodologia per obtenir la distribució de volums de cicatrius de despreniments d’un penya-segat. S’ha assumit que els volums de cicatrius de despreniments poden ser una primera aproximació dels volum de despreniments. En aquest cas,
la distribució de les cicatrius de despreniments s’ha calculat utilitzant un núvol de punts d’alta resolució de la paret obtingut amb un LIDAR terrestre. S’han calculat vàries distribucions de volums per tal de tenir en compte els diferents mecanismes de despreniment i el conseqüent
rang de volums despresos.
Finalment, s’ha proposat una metodologia per tal de convertir la freqüència estadística (% de volums de cicatrius), calculada en el pas anterior, a freqüència temporal (número anual de volums de cicatrius). Per això, el volum total de material desprès s’ha calculat mitjançant el núvol de punts, mencionat anteriorment. El període de temps durant el qual s’ha desprès tot el volum de material s’ha estimat mitjançant la datació de la superfície inicial a partir de la qual va començar l’actual activitat de despreniments. Aquesta datació s’ha fet mitjançant l’isòtop cosmogenic, 36Cl.
Debido al crecimiento exponencial de la población durante las últimas décadas, la evaluación de la peligrosidad de coladas de tierra y desprendimientos i su zonificación se ha convertido en herramientas indispensables para la planificación del territorio, sobretodo en zonas montañosas.
La peligrosidad debido a fenómenos de vertiente fue definida como la probabilidad de ocurrencia de un fenómeno potencialmente dañino en una determinada área y en un determinado período de tiempo. Así, es necesario conocer la probabilidad de ocurrencia (o frecuencia) para cada tipo de deslizamiento y magnitud.
El objetivo de esta tesis es el desarrollo de una metodología objetiva, cuantitativa y reproducible que permita la obtención de las relaciones magnitud-frecuencia para coladas de tierra, de tamaño medio y grande y para desprendimientos. Este procedimiento se ha aplicado en Valle de Barcedana y en la Sierra del Montsec para grandes coladas de tierra y desprendimientos, respectivamente. Las dos áreas de estudio están
situadas dentro de la Cuenca de Tremp (Pirineo Oriental).
En cuanto a las coladas de tierra, se ha distinguido entre 1) reactivaciones y 2) vertientes intactos. La frecuencia de las reactivaciones se ha obtenido a partir del análisis de 11 grupos de ortofotos que engloban des del 1956 hasta el 2013. La magnitud se ha calculado como el área de
las roturas mediante la cartografía de deslizamientos y ortofotos.
La relación magnitud-frecuencia de las reactivaciones ha permitido obtener la probabilidad de reactivación per un determinado volumen. Esta ha sido comparada con la probabilidad de reactivación determinada a partir de los umbrales de lluvia que han dado lugar a la reactivación de 4 grandes deslizamientos, también situados dentro de la Cuenca de Tremp. Las fechas de reactivación han sido aproximadas mediante la dendrogeomorfología y los umbrales se han determinado mediante el análisis ROC.
La susceptibilidad de las primeras roturas se ha obtenido mediante un modelo determinista llamado SINMAP. La frecuencia para cada clase de susceptibilidad se ha calculado mediante un inventario de primeras roturas identificadas en el campo y a través de ortofotos.
Se ha desarrollado un algoritmo para obtener el área de las coladas de tierra más grandes que el tamaño del píxel a través de la agregación automática de píxeles situados en una misma vertiente y que presentan una misma clase de susceptibilidad. Finalmente, se ha definido la
matriz magnitud-frecuencia para la zonificación de la peligrosidad de las vertientes intactas.
En lo que concierne a los desprendimientos, se ha definido una metodología para obtener la distribución de volúmenes de cicatrices de desprendimientos de un acantilado. Se ha asumido que los volúmenes de cicatrices de desprendimientos pueden ser una primera aproximación de
los volúmenes de desprendimientos. En este caso, la distribución de las cicatrices de desprendimientos se ha calculado utilizando una nube de puntos de alta resolución de la pared obtenida con un LIDAR terrestre. Se han calculado varias distribuciones de volúmenes para tener en cuenta los diferentes mecanismos de desprendimiento y el consecuente rango de volúmenes desprendidos.
Finalmente, se ha propuesto una metodología para transformar la frecuencia estadística (% de volúmenes de cicatrices), calculada en el paso anterior, en frecuencia temporal (número anual de volúmenes de cicatrices). Para esto, el volumen de material desprendido se ha calculado
mediante la susodicha nube de puntos. El período de tiempo durante el cual se ha desprendido la totalidad del volumen de material se ha estimado mediante la datación de la superficie inicial a partir de la cual empezó la actual actividad de desprendimientos. Esta datación se ha hecho
mediante el isótopo cosmogénico 36Cl.Processes affecting the efficiency of limestone, aragonite and dolostone in passive treatments for AMD
http://hdl.handle.net/2117/95840
Processes affecting the efficiency of limestone, aragonite and dolostone in passive treatments for AMD
Offeddu, Francesco G.
Waters from mines (acid mine drainage-AMD), contain elevated concentrations of SO-24, Fe and other contaminant metals, which can persist in the environment during centuries. The purpose of AMD treatments is to retain metals and to neutralize the acidity. One of the employed treatment systems is the anoxic limestone drainage (ALD), characterized by low maintenance and cost. The efficiency of the ALD is however limited by secondary mineral precipitation (ppt) causing the passivation (pass) of the limestone grains and the pores clogging. The presence of aqueous sulfate leads to gypsum (gyp) ppt, which contributes to pass and affects the ALD¿s efficiency. This PhD study is focused on the loss of reactivity of calcite (cal), aragonite (ar) and dolomite (dol) due to grain coating or clogging of porosity. To this end, three types of experiments were conducted: column, batch and in-situ AFM experiments. Columns experiments were carried out injecting synthetic acidic solutions (sulfate with Fe(III) or Al pH 2-3, H2SO4) at constant flow (6x10-4 and 1x10-3 L m-2 s-1) in the columns packed with cal, ar or dol grains. The columns worked efficiently removing aqueous metals as long as cal dissolved and buffered the solution pH. However, Ca released from dissolving cal and the sulfate in solution, promoted gyp ppt on the cal surfaces preventing his dissolution (diss). This pass process limited the efficiency of the columns. Larger input sulfate concentrations or higher pH led to shorter pass times. Observations with X-ray microtomography and X-ray microdiffraction showed the coating of gyp on the cal and secondary oxyhydroxides between the grains. This favored the formation of preferential flow paths, isolating regions of non-reacted grains. An improved experimental design (mixing limestone grains and glass beads) minimized the formation of these preferential flow paths. Experimental results have been modeled with the CrunchFlow reactive transport code. Fitting of the results required a decrease in the reactive surface area of cal, which is consistent with the pass process.
Batch experiments (pH 2 H2SO4 solution equilibrated with respect to CaSO4¿2H2O) were performed to study the coupled reactions of diss of cal, ar and dol and ppt of gyp. The three carbonate minerals acted as carbonate substrates on which gyp grew. Along the experiments three stages were distinguished: gyp ppt induction time, diss of the carbonate substrate coupled with gyp ppt, and achievement of equilibrium with respect to the carbonate mineral. The induction time was similar during diss of cal and ar (same diss rate). During diss of the carbonate minerals the pH raised from 2 to ~7, decreasing the carbonate mineral diss rate and stopping the gyp ppt as equilibrium with respect to CaCO3 was approached. The gyp ppt rates were similar when cal and ar dissolved, regardless the morphology of substrate.
In-situ atomic force microscopy (AFM) experiments were performed to study the cal and dol diss and gyp ppt in Na2SO4 and CaSO4 solutions (pH 2-6). The carbonate diss took place at the (104) cleavage surfaces in sulfate-rich solutions undersaturated with respect to gyp, by the formation of characteristic rhombohedral-shaped etch pits. Rounding of the etch pit corners was observed as solutions approached close-to-equilibrium conditions with respect to cal. The calculated diss rates of cal at pH 4.8 and 5.6 agreed with the values reported in the literature. When using solutions previously equilibrated with respect to gyp, gyp ppt coupled with cal diss showed short gyp nucleation induction times. The gyp precipitate quickly coated the cal surface, forming arrow-like forms parallel to the crystallographic orientations of the cal etch pits. Gyp ppt coupled with dol diss was slower than that of cal, indicating the diss rate to be the rate-controlling step. The resulting gyp coating partially covered the surface during the experimental duration of a few hours.; Las aguas que proceden de minas (en ingles acid mine drainage-AMD) contienen altas concentraciones de SO4 y metales contaminantes que pueden perdurar siglos en el medio ambiente. El objetivo de los tratamientos de AMD es retener los metales y neutralizar la acidez de las AMD. Uno de los sistemas de tratamiento usado, es el drenaje anóxico a través de caliza (clz) (en inglés anoxic limestone drainage, ALD) que necesita escaso mantenimiento y bajo presupuesto. La eficiencia de los ALD está limitada por la precipitación (ppt) de minerales secundarios (yeso e Me-hydroxidos) que causa el recubrimiento de los granos de clz (pasivación, pass) y la colmatación de los poros reduciendo la reactividad de la clz y su poder tampón. Esta tesis esta enfocada en los procesos que afectan a los minerales carbonatos usados en el ALD y en la pérdida de reactividad de la calcita (cal), aragonita (arag) y dolomita (dol) debido a la pass. Con este fin se llevaron a cabo tres tipos de experimentos (25 °C, 1 atm): de columna, batch e in situ con microscopio de fuerza atómica (AFM). Experimentos de columnas: Se inyectaron soluciones ácidas sintéticas (pH2) ricas en Fe (III) o Al con flujo constante de 6x10-4 o 1x10-3 L m-2 s-1 en columnas rellenadas con granos de cal, arag o dol. Las columnas han retenido los metales durante la disolución (diss) de los carbonatos, aumentado el pH e promoviendo la ppt (ppt) de oxihidróxidos de los metales. El Ca liberado durante la diss, junto con el sulfato, ha precipitado como yeso causando el recubrimiento de la superficie de los granos. El recubrimiento impide la diss de los carbonatos y limita la eficiencia de las columnas. Altas concentraciones de sulfato y pH más ácidos produjeron tiempos de pass más rápidos. Mediante micro-tomografía de rayos X (mCT) y micro-difracción de rayos X (mXRD), se mostró que el recubrimiento de los granos de carbonatos se debe a la ppt de yeso y que los oxihidróxidos precipitan entre los granos, la cual cosa favoreció la formación de flujos preferenciales, aislando regiones donde no se producen reacciones entre solución circulante y granos. El flujo preferencial se ha visto reducido cuando se han mezclado los carbonatos con esferas de vidrio. Los resultados experimentales se han modelado con el código CrunchFlow ajustando el valor de del área reactiva de la cal en el modelo con los datos experimentales, corroborando el proceso de pass en los experimentos. Se realizaron experimentos de tipo batch para estudiar la diss de cal, dol y arag (granulometria: 100-300 mm;1-2 mm, y 1.5 x 1.2 x 0.5 cm) y la ppt de yeso sobre la superficie de los carbonatos y a pH 2 (solución de H2SO4 equilibrada respecto al CaSO4¿2H2O). A lo largo de los experimentos se han distinguido tres fases: tiempo de inducción para la nucleación del yeso; fase de diss de los carbonatos con la simultánea ppt de yeso; equilibrio alcanzado entre la solución y el mineral carbonatado. Durante la diss de carbonatos, el pH subió de 2 a ~7, ralentizando la cinética de diss y la velocidad de ppt de yeso hasta llegar a cero una vez alcanzado el equilibrio con CaCO3. Además resultó que independientemente del sustrato la velocidad de ppt del yeso fue similar. Los experimentos in situ AFM se realizaron con soluciones de Na2SO4 y CaSO4 y pH entre 2-6 para estudiar el proceso acoplado de la diss de cal o dol con la ppt de yeso. La diss de los carbonatos tuvo lugar en las superficies de exfoliación (104). Se han observado distintas formas de diss (etch pits), con estructura típica romboédrica y el redondeo de los bordes de los etch pits conforme se aproximaban a condiciones de equilibrio con respecto a la cal. El yeso precipitado recubrió rápidamente la superficie de la cal, con morfología de flecha y ejes paralelos a las orientaciones cristalográficas de los etch pits de la cal. La ppt del yeso en el caso de la diss de dol fue más lento y parcial, lo que indica que la velocidad de diss controla la velocidad de las reacciones.; Les aigües que procedeixen de l'activitat minera, conegudes com aigües àcides de mina (en anglès acid mine drainage, AMD) contenen normalment altes concentracions de sulfat, ferro i altres metalls contaminants associats. Aquests contaminants poden perdurar en el medi ambient fins a segles després del cessament de l'activitat minera. Els principals objectius dels tractaments AMD són la retenció de metalls (precipitació dels
metalls contaminants) i la neutralització de l'acidesa de les aigües. Un dels possibles sistemes de tractament passiu, i dels més utilitzats, és el drenatge anòxic amb calcària (en anglès, anoxic limestone drainage, ALD), o sistemes derivats (per exemple, la reducció i els sistemes de producció d'alcalinitat), que es caracteritzen pel poc manteniment requerit i el baix cost. No obstant, l'eficiència dels sistemes d'ALD està limitada per la precipitació de minerals secundaris que causa la passivació (recobriment) dels grans de calcària i l'obstrucció dels porus entre ells, reduint així la reactivitat de la calcària i, per tant, el poder tampó. La presència de sulfat aquós indueix la precipitació de guix, que contribueix en gran mesura a la passivació de la calcària i afecta l'eficiència dels sistemes de tractament.
Aquesta Tesi té com a objectiu principal millorar els nostres coneixements sobre el funcionament de minerals carbonats utilitzats en ALD i la pèrdua de la reactivitat de la calcita, aragonita i dolomita a causa del recobriment dels grans o l'obstrucció dels porus entre grans. Amb aquesta finalitat, es s’han dut a terme tres tipus d'experiments: (1) experiments de columna, (2) de tipus batch i (3) experiments in situ amb AFM.
(1) Els experiments de columnes emplenades amb grans de calcita, aragonita o dolomita (de diàmetre 1-2 mm) es van realitzar per estudiar el comportament dels sistemes de tractament passiu emprats en el drenatge àcid de mines (AMD).
Es van injectar solucions àcides sintètiques (principalment a pH2, H2SO4) rica en ferro (Fe (III)) o alumini. Durant els experiments, el flux de la solució d'entrada es va mantenir constant a la velocitat de Darcy de 6x10-4 a 1x10-3 L m-2 s-1. Les columnes han eliminat eficientment el ferro i l’alumini aquosos mentre que la dissolució dels carbonats ha tamponat el pH de la solució (augment del pH i inducció de la precipitació d’oxihidróxids de Fe (III) - o d'Al). No obstant, el Ca alliberat en solució pels minerals carbonats, juntament amb el sulfat aquós, va induir la precipitació de guix, que és la principal causa de recobriment (passivació) a les superfícies dels grans. Aquest recobriment ha impedit conseqüentment la dissolució de calcita limitant l'eficiència de les columnes.
Concentracions més altes del sulfat d'entrada i pH més àcids van originar temps de passivació més ràpids. La caracterització de l'estructura dels porus i de la composició química dels sòlids mitjanament la per micro-tomografia de raigs X (MCT) i micro-difracció de raigs X (mXRD), va mostrar que el recobriment dels grans de carbonats és degut a la precipitació de guix i que els oxihidróxids secundaris tendeixen a precipitar entre els grans. La precipitació de minerals secundaris va afavorir la formació de fluxos preferents, aïllant regions on no es produeixen reaccions entre la solució circulant i els grans. L'efecte de la formació del flux preferent s'ha reduït utilitzant un disseny diferent a les columnes (barrejant els grans de carbonats amb esferes de vidre inerts). Els resultats experimentals s'han modelitzat amb el codi de transport reactiu CrunchFlow. Per tal que les dades experimentals i les del model coincidissin s'ha ajustat al valor de l'àrea reactiva de la calcita en el model, consistentment amb el procés de passivació en els experiments.
(2) Es van dur a terme experiments de tipus batch a 25 ° C, pressió atmosfèrica i pH 2 (solució de H2SO4 equilibrada respecte al CaSO4 • 2H2O) per estudiar les reaccions de dissolució de la calcita i aragonita acoblades a la precipitació de guix. Es van utilitzar tres tipus de mostra sòlida (pols (100-300 μm), grans (1-2 mm) i fragments (1.5 x 1.2 x 0.5 cm)) que van actuar com a substrats de mineral carbonat en què va créixer el guix. Al llarg dels experiments s'han distingit tres fases: temps d'inducció de la precipitació del guix, dissolució del substrat de mineral carbonat, juntament amb la precipitació de guix, i l'assoliment de l'equilibri de la solució respecte el mineral carbonat.
El temps d'inducció va ser similar durant la dissolució de calcita i aragonita, ja que tots dos minerals dissolen amb la mateixa velocitat de dissolució. Durant la dissolució de minerals carbonats, el pH va pujar de 2 a aproximadament 7, alentint tant la velocitat de dissolució dels carbonats com la taxa de precipitació de guix per arribar a zero un cop assolit l'equilibri amb CaCO3 (calcita o aragonita) va ser aconseguit. La velocitat de precipitació del guix va ser similar independentment del substrat (calcita o aragonita), tot i la morfologia del mateix substrat.
3) Es van realitzar experiments in-situ amb el microscopi de força atòmica (AFM) per estudiar el procés global de la dissolució de calcita i dolomita i la precipitació de guix en solucions Na2SO4 i CaSO4 amb valors de pH entre 2 i 6 i temperatura ambient (23 ± 1 ° C). La dissolució dels minerals carbonats va tenir lloc a les superfícies de clivatge (104) usant solucions riques en sulfat i subsaturades respecte al guix. Es va observar la formació de forats de dissolució (etch pits) amb les típiques formes romboèdriques.
També s’observa l'arrodoniment de les vores dels etch pits quan les solucions s’acostaven a a les vores l'equilibri respecte de la calcita. Les velocitats de dissolució de la calcita calculades a pH 4.8 i 5.6 va coincidir amb els valors de la literatura. En solucions prèviament equilibrades amb el guix, la precipitació de guix acoblada a la dissolució de calcita s’aconseguí amb temps d'inducció més curts. El guix precipitat va recobrir ràpidament la superfície de la calcita, amb morfologia de fletxa i eixos paral·lels a les orientacions cristal·logràfiques dels etch pits de la calcita. La precipitació de guix, juntament amb la dissolució de dolomita, va ser més lenta que la de calcita, la qual cosa indica que la velocitat de dissolució va ser el procés que controla la velocitat. El revestiment de guix ha cobert parcialment la superfície de la calcita durant l’experiment.
2015-12-04T07:46:26ZOffeddu, Francesco G.Waters from mines (acid mine drainage-AMD), contain elevated concentrations of SO-24, Fe and other contaminant metals, which can persist in the environment during centuries. The purpose of AMD treatments is to retain metals and to neutralize the acidity. One of the employed treatment systems is the anoxic limestone drainage (ALD), characterized by low maintenance and cost. The efficiency of the ALD is however limited by secondary mineral precipitation (ppt) causing the passivation (pass) of the limestone grains and the pores clogging. The presence of aqueous sulfate leads to gypsum (gyp) ppt, which contributes to pass and affects the ALD¿s efficiency. This PhD study is focused on the loss of reactivity of calcite (cal), aragonite (ar) and dolomite (dol) due to grain coating or clogging of porosity. To this end, three types of experiments were conducted: column, batch and in-situ AFM experiments. Columns experiments were carried out injecting synthetic acidic solutions (sulfate with Fe(III) or Al pH 2-3, H2SO4) at constant flow (6x10-4 and 1x10-3 L m-2 s-1) in the columns packed with cal, ar or dol grains. The columns worked efficiently removing aqueous metals as long as cal dissolved and buffered the solution pH. However, Ca released from dissolving cal and the sulfate in solution, promoted gyp ppt on the cal surfaces preventing his dissolution (diss). This pass process limited the efficiency of the columns. Larger input sulfate concentrations or higher pH led to shorter pass times. Observations with X-ray microtomography and X-ray microdiffraction showed the coating of gyp on the cal and secondary oxyhydroxides between the grains. This favored the formation of preferential flow paths, isolating regions of non-reacted grains. An improved experimental design (mixing limestone grains and glass beads) minimized the formation of these preferential flow paths. Experimental results have been modeled with the CrunchFlow reactive transport code. Fitting of the results required a decrease in the reactive surface area of cal, which is consistent with the pass process.
Batch experiments (pH 2 H2SO4 solution equilibrated with respect to CaSO4¿2H2O) were performed to study the coupled reactions of diss of cal, ar and dol and ppt of gyp. The three carbonate minerals acted as carbonate substrates on which gyp grew. Along the experiments three stages were distinguished: gyp ppt induction time, diss of the carbonate substrate coupled with gyp ppt, and achievement of equilibrium with respect to the carbonate mineral. The induction time was similar during diss of cal and ar (same diss rate). During diss of the carbonate minerals the pH raised from 2 to ~7, decreasing the carbonate mineral diss rate and stopping the gyp ppt as equilibrium with respect to CaCO3 was approached. The gyp ppt rates were similar when cal and ar dissolved, regardless the morphology of substrate.
In-situ atomic force microscopy (AFM) experiments were performed to study the cal and dol diss and gyp ppt in Na2SO4 and CaSO4 solutions (pH 2-6). The carbonate diss took place at the (104) cleavage surfaces in sulfate-rich solutions undersaturated with respect to gyp, by the formation of characteristic rhombohedral-shaped etch pits. Rounding of the etch pit corners was observed as solutions approached close-to-equilibrium conditions with respect to cal. The calculated diss rates of cal at pH 4.8 and 5.6 agreed with the values reported in the literature. When using solutions previously equilibrated with respect to gyp, gyp ppt coupled with cal diss showed short gyp nucleation induction times. The gyp precipitate quickly coated the cal surface, forming arrow-like forms parallel to the crystallographic orientations of the cal etch pits. Gyp ppt coupled with dol diss was slower than that of cal, indicating the diss rate to be the rate-controlling step. The resulting gyp coating partially covered the surface during the experimental duration of a few hours.
Las aguas que proceden de minas (en ingles acid mine drainage-AMD) contienen altas concentraciones de SO4 y metales contaminantes que pueden perdurar siglos en el medio ambiente. El objetivo de los tratamientos de AMD es retener los metales y neutralizar la acidez de las AMD. Uno de los sistemas de tratamiento usado, es el drenaje anóxico a través de caliza (clz) (en inglés anoxic limestone drainage, ALD) que necesita escaso mantenimiento y bajo presupuesto. La eficiencia de los ALD está limitada por la precipitación (ppt) de minerales secundarios (yeso e Me-hydroxidos) que causa el recubrimiento de los granos de clz (pasivación, pass) y la colmatación de los poros reduciendo la reactividad de la clz y su poder tampón. Esta tesis esta enfocada en los procesos que afectan a los minerales carbonatos usados en el ALD y en la pérdida de reactividad de la calcita (cal), aragonita (arag) y dolomita (dol) debido a la pass. Con este fin se llevaron a cabo tres tipos de experimentos (25 °C, 1 atm): de columna, batch e in situ con microscopio de fuerza atómica (AFM). Experimentos de columnas: Se inyectaron soluciones ácidas sintéticas (pH2) ricas en Fe (III) o Al con flujo constante de 6x10-4 o 1x10-3 L m-2 s-1 en columnas rellenadas con granos de cal, arag o dol. Las columnas han retenido los metales durante la disolución (diss) de los carbonatos, aumentado el pH e promoviendo la ppt (ppt) de oxihidróxidos de los metales. El Ca liberado durante la diss, junto con el sulfato, ha precipitado como yeso causando el recubrimiento de la superficie de los granos. El recubrimiento impide la diss de los carbonatos y limita la eficiencia de las columnas. Altas concentraciones de sulfato y pH más ácidos produjeron tiempos de pass más rápidos. Mediante micro-tomografía de rayos X (mCT) y micro-difracción de rayos X (mXRD), se mostró que el recubrimiento de los granos de carbonatos se debe a la ppt de yeso y que los oxihidróxidos precipitan entre los granos, la cual cosa favoreció la formación de flujos preferenciales, aislando regiones donde no se producen reacciones entre solución circulante y granos. El flujo preferencial se ha visto reducido cuando se han mezclado los carbonatos con esferas de vidrio. Los resultados experimentales se han modelado con el código CrunchFlow ajustando el valor de del área reactiva de la cal en el modelo con los datos experimentales, corroborando el proceso de pass en los experimentos. Se realizaron experimentos de tipo batch para estudiar la diss de cal, dol y arag (granulometria: 100-300 mm;1-2 mm, y 1.5 x 1.2 x 0.5 cm) y la ppt de yeso sobre la superficie de los carbonatos y a pH 2 (solución de H2SO4 equilibrada respecto al CaSO4¿2H2O). A lo largo de los experimentos se han distinguido tres fases: tiempo de inducción para la nucleación del yeso; fase de diss de los carbonatos con la simultánea ppt de yeso; equilibrio alcanzado entre la solución y el mineral carbonatado. Durante la diss de carbonatos, el pH subió de 2 a ~7, ralentizando la cinética de diss y la velocidad de ppt de yeso hasta llegar a cero una vez alcanzado el equilibrio con CaCO3. Además resultó que independientemente del sustrato la velocidad de ppt del yeso fue similar. Los experimentos in situ AFM se realizaron con soluciones de Na2SO4 y CaSO4 y pH entre 2-6 para estudiar el proceso acoplado de la diss de cal o dol con la ppt de yeso. La diss de los carbonatos tuvo lugar en las superficies de exfoliación (104). Se han observado distintas formas de diss (etch pits), con estructura típica romboédrica y el redondeo de los bordes de los etch pits conforme se aproximaban a condiciones de equilibrio con respecto a la cal. El yeso precipitado recubrió rápidamente la superficie de la cal, con morfología de flecha y ejes paralelos a las orientaciones cristalográficas de los etch pits de la cal. La ppt del yeso en el caso de la diss de dol fue más lento y parcial, lo que indica que la velocidad de diss controla la velocidad de las reacciones.
Les aigües que procedeixen de l'activitat minera, conegudes com aigües àcides de mina (en anglès acid mine drainage, AMD) contenen normalment altes concentracions de sulfat, ferro i altres metalls contaminants associats. Aquests contaminants poden perdurar en el medi ambient fins a segles després del cessament de l'activitat minera. Els principals objectius dels tractaments AMD són la retenció de metalls (precipitació dels
metalls contaminants) i la neutralització de l'acidesa de les aigües. Un dels possibles sistemes de tractament passiu, i dels més utilitzats, és el drenatge anòxic amb calcària (en anglès, anoxic limestone drainage, ALD), o sistemes derivats (per exemple, la reducció i els sistemes de producció d'alcalinitat), que es caracteritzen pel poc manteniment requerit i el baix cost. No obstant, l'eficiència dels sistemes d'ALD està limitada per la precipitació de minerals secundaris que causa la passivació (recobriment) dels grans de calcària i l'obstrucció dels porus entre ells, reduint així la reactivitat de la calcària i, per tant, el poder tampó. La presència de sulfat aquós indueix la precipitació de guix, que contribueix en gran mesura a la passivació de la calcària i afecta l'eficiència dels sistemes de tractament.
Aquesta Tesi té com a objectiu principal millorar els nostres coneixements sobre el funcionament de minerals carbonats utilitzats en ALD i la pèrdua de la reactivitat de la calcita, aragonita i dolomita a causa del recobriment dels grans o l'obstrucció dels porus entre grans. Amb aquesta finalitat, es s’han dut a terme tres tipus d'experiments: (1) experiments de columna, (2) de tipus batch i (3) experiments in situ amb AFM.
(1) Els experiments de columnes emplenades amb grans de calcita, aragonita o dolomita (de diàmetre 1-2 mm) es van realitzar per estudiar el comportament dels sistemes de tractament passiu emprats en el drenatge àcid de mines (AMD).
Es van injectar solucions àcides sintètiques (principalment a pH2, H2SO4) rica en ferro (Fe (III)) o alumini. Durant els experiments, el flux de la solució d'entrada es va mantenir constant a la velocitat de Darcy de 6x10-4 a 1x10-3 L m-2 s-1. Les columnes han eliminat eficientment el ferro i l’alumini aquosos mentre que la dissolució dels carbonats ha tamponat el pH de la solució (augment del pH i inducció de la precipitació d’oxihidróxids de Fe (III) - o d'Al). No obstant, el Ca alliberat en solució pels minerals carbonats, juntament amb el sulfat aquós, va induir la precipitació de guix, que és la principal causa de recobriment (passivació) a les superfícies dels grans. Aquest recobriment ha impedit conseqüentment la dissolució de calcita limitant l'eficiència de les columnes.
Concentracions més altes del sulfat d'entrada i pH més àcids van originar temps de passivació més ràpids. La caracterització de l'estructura dels porus i de la composició química dels sòlids mitjanament la per micro-tomografia de raigs X (MCT) i micro-difracció de raigs X (mXRD), va mostrar que el recobriment dels grans de carbonats és degut a la precipitació de guix i que els oxihidróxids secundaris tendeixen a precipitar entre els grans. La precipitació de minerals secundaris va afavorir la formació de fluxos preferents, aïllant regions on no es produeixen reaccions entre la solució circulant i els grans. L'efecte de la formació del flux preferent s'ha reduït utilitzant un disseny diferent a les columnes (barrejant els grans de carbonats amb esferes de vidre inerts). Els resultats experimentals s'han modelitzat amb el codi de transport reactiu CrunchFlow. Per tal que les dades experimentals i les del model coincidissin s'ha ajustat al valor de l'àrea reactiva de la calcita en el model, consistentment amb el procés de passivació en els experiments.
(2) Es van dur a terme experiments de tipus batch a 25 ° C, pressió atmosfèrica i pH 2 (solució de H2SO4 equilibrada respecte al CaSO4 • 2H2O) per estudiar les reaccions de dissolució de la calcita i aragonita acoblades a la precipitació de guix. Es van utilitzar tres tipus de mostra sòlida (pols (100-300 μm), grans (1-2 mm) i fragments (1.5 x 1.2 x 0.5 cm)) que van actuar com a substrats de mineral carbonat en què va créixer el guix. Al llarg dels experiments s'han distingit tres fases: temps d'inducció de la precipitació del guix, dissolució del substrat de mineral carbonat, juntament amb la precipitació de guix, i l'assoliment de l'equilibri de la solució respecte el mineral carbonat.
El temps d'inducció va ser similar durant la dissolució de calcita i aragonita, ja que tots dos minerals dissolen amb la mateixa velocitat de dissolució. Durant la dissolució de minerals carbonats, el pH va pujar de 2 a aproximadament 7, alentint tant la velocitat de dissolució dels carbonats com la taxa de precipitació de guix per arribar a zero un cop assolit l'equilibri amb CaCO3 (calcita o aragonita) va ser aconseguit. La velocitat de precipitació del guix va ser similar independentment del substrat (calcita o aragonita), tot i la morfologia del mateix substrat.
3) Es van realitzar experiments in-situ amb el microscopi de força atòmica (AFM) per estudiar el procés global de la dissolució de calcita i dolomita i la precipitació de guix en solucions Na2SO4 i CaSO4 amb valors de pH entre 2 i 6 i temperatura ambient (23 ± 1 ° C). La dissolució dels minerals carbonats va tenir lloc a les superfícies de clivatge (104) usant solucions riques en sulfat i subsaturades respecte al guix. Es va observar la formació de forats de dissolució (etch pits) amb les típiques formes romboèdriques.
També s’observa l'arrodoniment de les vores dels etch pits quan les solucions s’acostaven a a les vores l'equilibri respecte de la calcita. Les velocitats de dissolució de la calcita calculades a pH 4.8 i 5.6 va coincidir amb els valors de la literatura. En solucions prèviament equilibrades amb el guix, la precipitació de guix acoblada a la dissolució de calcita s’aconseguí amb temps d'inducció més curts. El guix precipitat va recobrir ràpidament la superfície de la calcita, amb morfologia de fletxa i eixos paral·lels a les orientacions cristal·logràfiques dels etch pits de la calcita. La precipitació de guix, juntament amb la dissolució de dolomita, va ser més lenta que la de calcita, la qual cosa indica que la velocitat de dissolució va ser el procés que controla la velocitat. El revestiment de guix ha cobert parcialment la superfície de la calcita durant l’experiment.Vulnerabilidad sísmica en edificaciones porticadas compuestas de acero y hormigón armado
http://hdl.handle.net/2117/95825
Vulnerabilidad sísmica en edificaciones porticadas compuestas de acero y hormigón armado
Ugel Garrido, Ronald David
In this study it was assessed the seismic behavior of framed buildings with composite structure of steel and reinforced concrete (RC) in a specific configuration formed with lower levels with RC (primary structure) and higher levels with steel (secondary structure) as structural materials for components. This typology results from post-construction and post-project modifications; It was analyzed the seismic vulnerability and structural behavior in typical models of buildings for residential or commercial use currently being built or already built in the metropolitan area Barquisimeto-Cabudare in Venezuela. Models or existing buildings are divided into three groups: low-rise, medium height and tall buildings. Levels with steel elements correspond to the higher or two higher levels of the buildings. Static and dynamic nonlinear analyses were conducted to determine the parameters of capacity, fragility and damage of structural systems. These analyses were based on criteria for projects such as RISK UE, FEMA 750 and ATC 40, along with methodologies such as Spectrum-Capacity, N2, Adaptive Pushover and the Capacity Parametric Model. The difference in performance was remarkable in some models depending on rigidities and the heights of models; Inter story displacements evidenced that in some structural systems, some levels experienced its maximum displacement in the elastic response range, whereas at other levels there is a high concentration of inelasticity. Fragility curves and damage indices were determined using two different methodologies in order to assert the behavior in terms of reliability and it was evidenced that in some structural systems there is a great probability of zero damage while in others predominate a high probability of reach moderate, severe or collapse damage states. In Time-History and Incremental Dynamic analysis, were used 5 real and 5 synthetic accelerograms; All of them were normalized and each one, with their corresponding mean, maximum and minimum deviations, resulted in 20 seismic signals that were used for purposes of structural reliability. All accelerograms were compatible with the elastic spectrum corresponding to the emplacement site design of the building stiff soil. Numerical results show that with these accelerograms most of the models suffer significant lateral deformations, often reaching beyond acceptable limits states from the Venezuelan normative. It was performed a experimental test of a two level frame with Steel elements in the higher level and Reinforced Concrete elements in the lower level. Another experimental test was performed on a full-scale mixed Steel-Reinforced Concrete joint. Both tests were subjected to cyclic lateral loads in order to determine its characteristics, behavior and capacity to histeretics actions in terms of stiffness degradation and damage evolution. Concerning to capacity and damage indexes, it was showed the influence of horizontal relative displacements of each level and the stiffness degradation as key parameters in determining the damage to a building. All this was revalidated with a probabilistic approach to the Damage Index. Experimental results showed very similar values in absolute and relative terms to those obtained in the numerical models. In these numerical and experimental process was used the Capacity Parametric Model (CPM) and the fragility and damage models associated with this methodology. Finally to achieve structural continuity at the structural joint of steel columns with reinforced concrete elements, it was evidenced that it can be used the AISC and ASCE design criteria for base-plates for steel columns. Otherwise, the composite joints should be considered semi-rigid connections.; En este estudio se evaluó el comportamiento sísmico de edificios porticados con estructuras compuestas de acero y hormigón armado con configuraciones estructurales formadas con niveles inferiores de hormigón armado (estructura primaria) y niveles superiores de acero (estructura secundaria). Este tipo de configuración resulta de modificaciones post-proyecto o post-construcción. Se analizó la vulnerabilidad sísmica y el comportamiento estructural de modelos típicos de edificios de uso residencial o comercial que actualmente se construyen o se han construido en la zona metropolitana Barquisimeto-Cabudare en Venezuela. Los modelos o edificaciones existentes se dividen en tres grupos: de baja altura, altura media y edificios altos según la definición de algunos de los códigos utilizados. Los niveles con estructuras de acero corresponden al último o dos últimos niveles de la edificación. Se realizaron análisis de naturaleza no lineal estáticos y dinámicos para determinar los parámetros de capacidad, fragilidad y daño de los sistemas estructurales según los criterios de proyectos como el RISK UE, FEMA 750 y ATC 40 junto con metodologías como Espectro-Capacidad, N2, Adaptive Pushover y el Modelo Paramétrico de Capacidad. En algunos modelos fue notable la diferencia de desempeño en función de las rigideces y las alturas de los modelos; en los desplazamientos relativos de entrepiso se evidencia que en algunos pórticos ciertos niveles experimentan su máximo desplazamiento en el rango elástico de respuesta, mientras que en otros niveles existe una alta concentración de inelasticidad. Las curvas de fragilidad y los índices de daño fueron determinados con dos metodologías distintas a fin de revisar el comportamiento en términos de confiabilidad y se evidencia que en algunos sistemas estructurales existe una gran probabilidad de daño nulo mientras que en otros existen altas probabilidades de daño que incursionan en los estados límites moderado, severo y colapso. En los análisis historia-temporal (Time-History) y Dinámico Incremental (IDA) se revisaron 5 acelerogramas híbridos y se generaron 5 artificiales o sintéticos; Todos fueron normalizados y cada uno de ellos, junto a sus correspondientes medias y desviaciones máximas y mínimas, fueron utilizados para efectos de la confiabilidad estructural lo que resultó en 20 señales espectrales estudiadas. Todas estas señales son compatibles con el espectro elástico normativo de la zona en estudio. Los resultados numéricos muestran que con los acelerogramas utilizados la mayoría de los modelos estudiados sufren deformaciones laterales y degradaciones de rigidez significativas, incursionando frecuentemente más allá de estados límites aceptables desde el punto de vista normativo. Se realizaron ensayos experimentales en un pórtico mixto de dos niveles de hormigón armado (nivel inferior) y acero (nivel superior) y una junta mixta acero-hormigón armado a escala real. Ambos ensayos fueron sometidos a cargas laterales cíclicas a fin de determinar sus características, comportamiento y capacidad ante acciones histeréticas en términos de degradación de rigidez y evolución de daño. En la capacidad e índice de daños en los modelos matemáticos, se evidenció la influencia de los desplazamientos relativos de cada nivel y la degradación de rigidez como parámetros fundamentales en la determinación del daño. Todo esto fue convalidado con un enfoque probabilista del daño. Los resultados experimentales arrojaron valores muy similares a los obtenidos en los modelos numéricos utilizándose en este proceso el Modelo Paramétrico de Capacidad y los modelos de fragilidad y daño asociados a este método. Finalmente, para lograr continuidad estructural en la unión mixta de columnas de acero con elementos de hormigón armado, se concluye que es posible utilizar los criterios establecidos en AISC y ASCE para el diseño de placas base en columnas de acero. De otro modo, las juntas tendrían que ser consideradas semi-rígidas.
2015-11-24T09:25:31ZUgel Garrido, Ronald DavidIn this study it was assessed the seismic behavior of framed buildings with composite structure of steel and reinforced concrete (RC) in a specific configuration formed with lower levels with RC (primary structure) and higher levels with steel (secondary structure) as structural materials for components. This typology results from post-construction and post-project modifications; It was analyzed the seismic vulnerability and structural behavior in typical models of buildings for residential or commercial use currently being built or already built in the metropolitan area Barquisimeto-Cabudare in Venezuela. Models or existing buildings are divided into three groups: low-rise, medium height and tall buildings. Levels with steel elements correspond to the higher or two higher levels of the buildings. Static and dynamic nonlinear analyses were conducted to determine the parameters of capacity, fragility and damage of structural systems. These analyses were based on criteria for projects such as RISK UE, FEMA 750 and ATC 40, along with methodologies such as Spectrum-Capacity, N2, Adaptive Pushover and the Capacity Parametric Model. The difference in performance was remarkable in some models depending on rigidities and the heights of models; Inter story displacements evidenced that in some structural systems, some levels experienced its maximum displacement in the elastic response range, whereas at other levels there is a high concentration of inelasticity. Fragility curves and damage indices were determined using two different methodologies in order to assert the behavior in terms of reliability and it was evidenced that in some structural systems there is a great probability of zero damage while in others predominate a high probability of reach moderate, severe or collapse damage states. In Time-History and Incremental Dynamic analysis, were used 5 real and 5 synthetic accelerograms; All of them were normalized and each one, with their corresponding mean, maximum and minimum deviations, resulted in 20 seismic signals that were used for purposes of structural reliability. All accelerograms were compatible with the elastic spectrum corresponding to the emplacement site design of the building stiff soil. Numerical results show that with these accelerograms most of the models suffer significant lateral deformations, often reaching beyond acceptable limits states from the Venezuelan normative. It was performed a experimental test of a two level frame with Steel elements in the higher level and Reinforced Concrete elements in the lower level. Another experimental test was performed on a full-scale mixed Steel-Reinforced Concrete joint. Both tests were subjected to cyclic lateral loads in order to determine its characteristics, behavior and capacity to histeretics actions in terms of stiffness degradation and damage evolution. Concerning to capacity and damage indexes, it was showed the influence of horizontal relative displacements of each level and the stiffness degradation as key parameters in determining the damage to a building. All this was revalidated with a probabilistic approach to the Damage Index. Experimental results showed very similar values in absolute and relative terms to those obtained in the numerical models. In these numerical and experimental process was used the Capacity Parametric Model (CPM) and the fragility and damage models associated with this methodology. Finally to achieve structural continuity at the structural joint of steel columns with reinforced concrete elements, it was evidenced that it can be used the AISC and ASCE design criteria for base-plates for steel columns. Otherwise, the composite joints should be considered semi-rigid connections.
En este estudio se evaluó el comportamiento sísmico de edificios porticados con estructuras compuestas de acero y hormigón armado con configuraciones estructurales formadas con niveles inferiores de hormigón armado (estructura primaria) y niveles superiores de acero (estructura secundaria). Este tipo de configuración resulta de modificaciones post-proyecto o post-construcción. Se analizó la vulnerabilidad sísmica y el comportamiento estructural de modelos típicos de edificios de uso residencial o comercial que actualmente se construyen o se han construido en la zona metropolitana Barquisimeto-Cabudare en Venezuela. Los modelos o edificaciones existentes se dividen en tres grupos: de baja altura, altura media y edificios altos según la definición de algunos de los códigos utilizados. Los niveles con estructuras de acero corresponden al último o dos últimos niveles de la edificación. Se realizaron análisis de naturaleza no lineal estáticos y dinámicos para determinar los parámetros de capacidad, fragilidad y daño de los sistemas estructurales según los criterios de proyectos como el RISK UE, FEMA 750 y ATC 40 junto con metodologías como Espectro-Capacidad, N2, Adaptive Pushover y el Modelo Paramétrico de Capacidad. En algunos modelos fue notable la diferencia de desempeño en función de las rigideces y las alturas de los modelos; en los desplazamientos relativos de entrepiso se evidencia que en algunos pórticos ciertos niveles experimentan su máximo desplazamiento en el rango elástico de respuesta, mientras que en otros niveles existe una alta concentración de inelasticidad. Las curvas de fragilidad y los índices de daño fueron determinados con dos metodologías distintas a fin de revisar el comportamiento en términos de confiabilidad y se evidencia que en algunos sistemas estructurales existe una gran probabilidad de daño nulo mientras que en otros existen altas probabilidades de daño que incursionan en los estados límites moderado, severo y colapso. En los análisis historia-temporal (Time-History) y Dinámico Incremental (IDA) se revisaron 5 acelerogramas híbridos y se generaron 5 artificiales o sintéticos; Todos fueron normalizados y cada uno de ellos, junto a sus correspondientes medias y desviaciones máximas y mínimas, fueron utilizados para efectos de la confiabilidad estructural lo que resultó en 20 señales espectrales estudiadas. Todas estas señales son compatibles con el espectro elástico normativo de la zona en estudio. Los resultados numéricos muestran que con los acelerogramas utilizados la mayoría de los modelos estudiados sufren deformaciones laterales y degradaciones de rigidez significativas, incursionando frecuentemente más allá de estados límites aceptables desde el punto de vista normativo. Se realizaron ensayos experimentales en un pórtico mixto de dos niveles de hormigón armado (nivel inferior) y acero (nivel superior) y una junta mixta acero-hormigón armado a escala real. Ambos ensayos fueron sometidos a cargas laterales cíclicas a fin de determinar sus características, comportamiento y capacidad ante acciones histeréticas en términos de degradación de rigidez y evolución de daño. En la capacidad e índice de daños en los modelos matemáticos, se evidenció la influencia de los desplazamientos relativos de cada nivel y la degradación de rigidez como parámetros fundamentales en la determinación del daño. Todo esto fue convalidado con un enfoque probabilista del daño. Los resultados experimentales arrojaron valores muy similares a los obtenidos en los modelos numéricos utilizándose en este proceso el Modelo Paramétrico de Capacidad y los modelos de fragilidad y daño asociados a este método. Finalmente, para lograr continuidad estructural en la unión mixta de columnas de acero con elementos de hormigón armado, se concluye que es posible utilizar los criterios establecidos en AISC y ASCE para el diseño de placas base en columnas de acero. De otro modo, las juntas tendrían que ser consideradas semi-rígidas.Risk managment of complex aquifers contaminated by chemical mixtures : numerical tools and human health risk assessment
http://hdl.handle.net/2117/95757
Risk managment of complex aquifers contaminated by chemical mixtures : numerical tools and human health risk assessment
Henri, Christopher
Human impact on groundwater resources has led to a rapid growth of social concerns worldwide owing to an increasing presence of toxic chemicals released in the subsurface. Risk assessment provides the scientific tool needed to quantify the actual thread that these potential hazards pose to human health. Specifically, risk analysis enables decision makers to answer: What can happen? How likely is it to happen? What can be the consequences? Risk assessment is in this context essential. However, modeling efforts involve in risk analysis are still facing several problems. Among them, in some cases, degradation products can constitute new noxious chemical compounds not necessarily less toxic than their parent product. Thus, the original pollutants and their daughter products are susceptible to co-exist in the aquifer forming a hazardous chemical mixture composed of products of different toxicity. This renders the quantification and interpretation of human health risk a non-trivial and challenging task. Also, the lack of information in the hydraulic and biochemical properties renders transport predictions to be highly uncertain. Stochastic human health risk assessment incorporates hydrogeological uncertainty in human health predictions. This way, probabilistic risk models can be used to determine the likelihood of risk exceeding a given regulatory threshold value or the expected threat to the exposed population and its uncertainty. Unfortunately, these approaches are very computationally demanding. Moreover, the diverse mineralogical composition of a real soil and the complex spatial variability of aquifer properties can produce a mixture of rates of mass transfer between regions of mobile and immobile contaminants. Finally, risk predictions are typically challenged by the complexity of the source zone condition.
Existing reactive transport models based on Eulerian methods still undergo computational burden and numerical problems when modeling strong hydro-biochemical heterogeneities with complex reactions in multi-porosity systems. In this context, Particle Tracking Methods constitute a feasible alternative but these methods are limited in the range of applicability. The work presented in this thesis proposes an efficient particle tracking solution capable to simulate serial-parallel degradation reactions in multiple porosity systems with rate-limited mass transfer and strong heterogeneities. The method is then used to characterize the human health risk posed by chemical mixtures in highly heterogeneous porous media under complex source zone conditions. In particular, we investigate the interaction between aquifer heterogeneity, connectivity, contaminant injection mode and chemical toxicity in the probabilistic characterization of health risk. We illustrate how chemical-specific travel times control the regime of the expected risk and its corresponding uncertainties. Results indicate conditions where preferential flow paths can favor the reduction of the overall risk of the chemical mixture. The overall human risk response to aquifer connectivity is shown to be non-trivial for multi-species transport. This non-triviality is a result of the interaction between aquifer heterogeneity and chemical toxicity. To quantify the joint effect of connectivity and toxicity in health risk, we propose a toxicity-based Damköhler number. Results also show that the degradation capacity of immobile water regions and the mass depletion model can play a significant role on the spatiotemporal behavior of the contaminant mixture. Our work furthermore highlights the potential impact of the water flux passing through the source zone on the effective increased lifetime cancer risk due to a reactive chemical mixture. Counter-intuitively, the source zone efficiency is shown to have a beneficial effect on the risk. The total risk tends indeed to decrease for high source zone efficiency due to the consequential decrease in travel times near the source zone.; El impacto humano sobre los recursos hídricos que forman los acuíferos es actualmente una de las grandes preocupaciones sociales en crecimiento debido a la presencia antrópica cada vez mayor de productos químicos tóxicos liberados en el subsuelo. El análisis de riesgo proporciona la herramienta científica necesaria para cuantificar el peligro real que estos contaminantes suponen para la salud humana. En concreto, el análisis de riesgo permite tomar decisiones que respondan a las siguientes preguntas: Qué puede pasar?. Qué tan probable es que suceda? Cuál pueden ser las consecuencias?. El análisis de riesgo es una herramienta clave en este sentido. Sin embargo, los esfuerzos de modelación necesarios para llevar a cabo el análisis de riesgo se enfrentan con varios problemas. Entre ellos, algunos productos tóxicos de degradación pueden constituir nuevos compuestos químicos nocivos no necesariamente menos tóxico que su producto padre. Por lo tanto, los contaminantes originales y sus productos hijos son susceptibles de coexistir en los acuíferos formando una mezcla de compuestos químicos de diferente toxicidad. Esto hace que la cuantificación e interpretación del riesgo para la salud humana sea una tarea no trivial y desafiante. Por otra parte, la falta de informaci´on en las propiedades hidráulicas y bioquímicos hace que las predicciones sobre el comportamiento de dichos contaminantes en el subsuelo sean altamente inciertas. El análisis de riesgo estocástico incorpora de forma natural la incertidumbre hidrogeológica que existe en las predicciones de riesgo para la salud humana. De esta manera, estos modelos pueden ser utilizados para determinar la probabilidad de que el riesgo supere un valor umbral o el valor esperado del riesgo y su incertidumbre. Desafortunadamente, estos enfoques son muy exigentes en tiempo de cálculo. Además de estas dos problemáticas, también se tiene que tener en cuenta que la composición mineralógica de un suelo real es diversa y variable en el espacio. Muchas veces esto implica la transferencia de masa entre zonas de contaminantes móviles e inmóviles.
Esto último exige modelos sofisticados de transporte que, por ejemplo, conceptualicen el medio poroso como un sistema multi-porosidad. Finalmente, la complejidad que existe en el comportamiento del foco de contaminación hace complicado un análisis de riesgo. Los líquidos tóxicos densos y no acuosos ilustran perfectamente esta complejidad. Una vez en el subsuelo, estos líquidos liberación lentamente los contaminantes dentro del acuífero de acuerdo con una tasa de agotamiento que depende fuertemente de la arquitectura errática del foco de contaminación.
Los modelos de transporte reactivo eulerianos tienen problemas numéricos cuando se simulan fuertes heterogeneidades hidro-bioquímicos en el terreno al mismo tiempo que reacciones químicas complejas en sistemas multi-porosidad. En este contexto, los métodos de trayectorias de partículas constituyen una alternativa viable. Sin embargo, estos métodos pueden tener en cuenta un rango pequeño de reacciones químicas.
El trabajo presentado en esta tesis propone una solución a estos problemas mediante un método de trayectoria de partículas. El método es eficiente y capaz de simular cadenas y redes de degradación en sistemas heterogéneos con porosidad múltiples. El método se basa en el desarrollo de probabilidades de transición que describen las probabilidades de que las partículas que pertenecen a un estado determinado (producto químico y región móvil / inmóvil) en un momento dado se transformará en otro estado en un momento posterior. El método se utiliza para caracterizar el riesgo para la salud humana que representan las mezclas de degradación en medios porosos altamente heterogéneos derivados de focos de contaminación complejos. En particular, se investiga la interacción entre la heterogeneidad, la conectividad, el modo de inyección de los contaminantes y su toxicidad química con respecto a la caracterización probabilística del riesgo para la salud humana. Los resultados
indican las condiciones mediante las cuales las vías de flujo preferencial pueden favorecer la reducción del riesgo para la salud humana. La dependencia de la conectividad con el riego se demuestra que no es nada trivial cuando se trata de mezclas de compuestos químicos. Esta no trivialidad es el resultado de la interacción entre la heterogeneidad del acuífero y la toxicidad de los compuestos químicos. Para cuantificar el efecto conjunto de la conectividad y la toxicidad en el riesgo para la salud, se propone un número de Damköhler nuevo que tiene en cuenta la toxicidad. Además, el riesgo también se caracteriza en términos estadísticos mediante momentos de bajo orden y funciones de densidad de probabilidad. Los resultados también muestran que tanto la capacidad de degradación de zonas inmóviles como los modelos existentes de agotamiento del foco pueden desempeñar un papel muy significativo en el análisis espacio-temporal del riesgo. Este trabajo también muestra que la eficiencia del foco de contaminación para concentrar el flujo puede tener un efecto beneficioso sobre el riesgo. El riesgo total de hecho tiende a disminuir para eficiencias grandes debido a la disminución consecuente en tiempos de viaje cerca del foco de contaminación, limitando la producción de productos de degradación más tóxicos.
2015-11-01T10:54:01ZHenri, ChristopherHuman impact on groundwater resources has led to a rapid growth of social concerns worldwide owing to an increasing presence of toxic chemicals released in the subsurface. Risk assessment provides the scientific tool needed to quantify the actual thread that these potential hazards pose to human health. Specifically, risk analysis enables decision makers to answer: What can happen? How likely is it to happen? What can be the consequences? Risk assessment is in this context essential. However, modeling efforts involve in risk analysis are still facing several problems. Among them, in some cases, degradation products can constitute new noxious chemical compounds not necessarily less toxic than their parent product. Thus, the original pollutants and their daughter products are susceptible to co-exist in the aquifer forming a hazardous chemical mixture composed of products of different toxicity. This renders the quantification and interpretation of human health risk a non-trivial and challenging task. Also, the lack of information in the hydraulic and biochemical properties renders transport predictions to be highly uncertain. Stochastic human health risk assessment incorporates hydrogeological uncertainty in human health predictions. This way, probabilistic risk models can be used to determine the likelihood of risk exceeding a given regulatory threshold value or the expected threat to the exposed population and its uncertainty. Unfortunately, these approaches are very computationally demanding. Moreover, the diverse mineralogical composition of a real soil and the complex spatial variability of aquifer properties can produce a mixture of rates of mass transfer between regions of mobile and immobile contaminants. Finally, risk predictions are typically challenged by the complexity of the source zone condition.
Existing reactive transport models based on Eulerian methods still undergo computational burden and numerical problems when modeling strong hydro-biochemical heterogeneities with complex reactions in multi-porosity systems. In this context, Particle Tracking Methods constitute a feasible alternative but these methods are limited in the range of applicability. The work presented in this thesis proposes an efficient particle tracking solution capable to simulate serial-parallel degradation reactions in multiple porosity systems with rate-limited mass transfer and strong heterogeneities. The method is then used to characterize the human health risk posed by chemical mixtures in highly heterogeneous porous media under complex source zone conditions. In particular, we investigate the interaction between aquifer heterogeneity, connectivity, contaminant injection mode and chemical toxicity in the probabilistic characterization of health risk. We illustrate how chemical-specific travel times control the regime of the expected risk and its corresponding uncertainties. Results indicate conditions where preferential flow paths can favor the reduction of the overall risk of the chemical mixture. The overall human risk response to aquifer connectivity is shown to be non-trivial for multi-species transport. This non-triviality is a result of the interaction between aquifer heterogeneity and chemical toxicity. To quantify the joint effect of connectivity and toxicity in health risk, we propose a toxicity-based Damköhler number. Results also show that the degradation capacity of immobile water regions and the mass depletion model can play a significant role on the spatiotemporal behavior of the contaminant mixture. Our work furthermore highlights the potential impact of the water flux passing through the source zone on the effective increased lifetime cancer risk due to a reactive chemical mixture. Counter-intuitively, the source zone efficiency is shown to have a beneficial effect on the risk. The total risk tends indeed to decrease for high source zone efficiency due to the consequential decrease in travel times near the source zone.
El impacto humano sobre los recursos hídricos que forman los acuíferos es actualmente una de las grandes preocupaciones sociales en crecimiento debido a la presencia antrópica cada vez mayor de productos químicos tóxicos liberados en el subsuelo. El análisis de riesgo proporciona la herramienta científica necesaria para cuantificar el peligro real que estos contaminantes suponen para la salud humana. En concreto, el análisis de riesgo permite tomar decisiones que respondan a las siguientes preguntas: Qué puede pasar?. Qué tan probable es que suceda? Cuál pueden ser las consecuencias?. El análisis de riesgo es una herramienta clave en este sentido. Sin embargo, los esfuerzos de modelación necesarios para llevar a cabo el análisis de riesgo se enfrentan con varios problemas. Entre ellos, algunos productos tóxicos de degradación pueden constituir nuevos compuestos químicos nocivos no necesariamente menos tóxico que su producto padre. Por lo tanto, los contaminantes originales y sus productos hijos son susceptibles de coexistir en los acuíferos formando una mezcla de compuestos químicos de diferente toxicidad. Esto hace que la cuantificación e interpretación del riesgo para la salud humana sea una tarea no trivial y desafiante. Por otra parte, la falta de informaci´on en las propiedades hidráulicas y bioquímicos hace que las predicciones sobre el comportamiento de dichos contaminantes en el subsuelo sean altamente inciertas. El análisis de riesgo estocástico incorpora de forma natural la incertidumbre hidrogeológica que existe en las predicciones de riesgo para la salud humana. De esta manera, estos modelos pueden ser utilizados para determinar la probabilidad de que el riesgo supere un valor umbral o el valor esperado del riesgo y su incertidumbre. Desafortunadamente, estos enfoques son muy exigentes en tiempo de cálculo. Además de estas dos problemáticas, también se tiene que tener en cuenta que la composición mineralógica de un suelo real es diversa y variable en el espacio. Muchas veces esto implica la transferencia de masa entre zonas de contaminantes móviles e inmóviles.
Esto último exige modelos sofisticados de transporte que, por ejemplo, conceptualicen el medio poroso como un sistema multi-porosidad. Finalmente, la complejidad que existe en el comportamiento del foco de contaminación hace complicado un análisis de riesgo. Los líquidos tóxicos densos y no acuosos ilustran perfectamente esta complejidad. Una vez en el subsuelo, estos líquidos liberación lentamente los contaminantes dentro del acuífero de acuerdo con una tasa de agotamiento que depende fuertemente de la arquitectura errática del foco de contaminación.
Los modelos de transporte reactivo eulerianos tienen problemas numéricos cuando se simulan fuertes heterogeneidades hidro-bioquímicos en el terreno al mismo tiempo que reacciones químicas complejas en sistemas multi-porosidad. En este contexto, los métodos de trayectorias de partículas constituyen una alternativa viable. Sin embargo, estos métodos pueden tener en cuenta un rango pequeño de reacciones químicas.
El trabajo presentado en esta tesis propone una solución a estos problemas mediante un método de trayectoria de partículas. El método es eficiente y capaz de simular cadenas y redes de degradación en sistemas heterogéneos con porosidad múltiples. El método se basa en el desarrollo de probabilidades de transición que describen las probabilidades de que las partículas que pertenecen a un estado determinado (producto químico y región móvil / inmóvil) en un momento dado se transformará en otro estado en un momento posterior. El método se utiliza para caracterizar el riesgo para la salud humana que representan las mezclas de degradación en medios porosos altamente heterogéneos derivados de focos de contaminación complejos. En particular, se investiga la interacción entre la heterogeneidad, la conectividad, el modo de inyección de los contaminantes y su toxicidad química con respecto a la caracterización probabilística del riesgo para la salud humana. Los resultados
indican las condiciones mediante las cuales las vías de flujo preferencial pueden favorecer la reducción del riesgo para la salud humana. La dependencia de la conectividad con el riego se demuestra que no es nada trivial cuando se trata de mezclas de compuestos químicos. Esta no trivialidad es el resultado de la interacción entre la heterogeneidad del acuífero y la toxicidad de los compuestos químicos. Para cuantificar el efecto conjunto de la conectividad y la toxicidad en el riesgo para la salud, se propone un número de Damköhler nuevo que tiene en cuenta la toxicidad. Además, el riesgo también se caracteriza en términos estadísticos mediante momentos de bajo orden y funciones de densidad de probabilidad. Los resultados también muestran que tanto la capacidad de degradación de zonas inmóviles como los modelos existentes de agotamiento del foco pueden desempeñar un papel muy significativo en el análisis espacio-temporal del riesgo. Este trabajo también muestra que la eficiencia del foco de contaminación para concentrar el flujo puede tener un efecto beneficioso sobre el riesgo. El riesgo total de hecho tiende a disminuir para eficiencias grandes debido a la disminución consecuente en tiempos de viaje cerca del foco de contaminación, limitando la producción de productos de degradación más tóxicos.Coupled heat and water flow dynamics in dry soils : application to a multilayer waste cover
http://hdl.handle.net/2117/95710
Coupled heat and water flow dynamics in dry soils : application to a multilayer waste cover
Gran Esforzado, Meritxell
Unsaturated flow plays an important role in numerous environmental phenomena. It is complex in arid regions, where liquid water fluxes are small and vapor fluxes become relevant, so that heat, water and solute mass transport are needed to understand evaporation. This thesis aims at gaining insight evaporation and vapor flow mechanisms and the relevance of matric potential, temperature and osmotic gradients.
These issues are especially relevant for soil salinization, whose mechanisms are poorly understood despite their global impact. We studied them in open soil evaporation column experiments. We found that a water separation process occurs in the soil. Above a very narrow evaporation front, the soil contains high salt concentrations due the solutes transported by the upward liquid flux and concentrated by evaporation. Below, concentrations are lower than the initial ones, because vapor flows downwards below the evaporation front driven by temperature gradients. Condensation of this downward vapor flux dilutes upflowing water, improving soil conditions and providing an area where root plants could live.
We modeled nonisothermal multiphase flow and reactive transport during the experiments to quantify the actual processes and to understand the nature of the downward vapor flux. Modeling required modifying the retention curve to represent oven dry conditions. Our model supports the traditional division of soil, by an evaporation front, into a dry region and a moist region. This view may suffice for evaluating evaporation rates and water mass balances, but not for assessing salt processes, which require acknowledging that not only liquid water flow but also vapor diffusion occur below the evaporation front.
Unsaturated flow concepts control the design of covers to isolate solid waste. Their goal is to protect the waste from infiltration during long periods of time by promoting surface runoff and lateral drainage and by hindering biointrusion. Two cover designs were built, both consisting of an evapotranspiration layer, a biointrusion barrier and an infiltration barrier. We analyzed their performance for two years (2009 and 2010, which was very wet) by a thorough monitoring system. We conclude that the upper portion of one cover did work as planned, but the lower infiltration barrier did not, which suggests some design improvements: increase the retention capacity of the sand layers, include filter layers and facilitate lateral drainage by increasing the slope in the top area.
We studied the daily and annual variations of vapor fluxes using data from the covers. We find that most water flow in the top portion of the soil occurs in the gas phase. Vapor fluxes are controlled by temperature and follow its fluctuations, switching direction with a daily frequency and a depth dependent lag. Downward vapor fluxes are dominant during the summer and upward fluxes during the winter. Deeper into the soil, vapor fluxes vary seasonally, flowing almost constantly upwards during the cold season, and vice versa. Rainfall events have a cooling effect, reversing summer vapor fluxes. Yet, the net annual flux is downwards. Furthermore, an approximate analytical solution to calculate diffusive vapor fluxes at any depth, is presented. While vapor fluxes are quantitatively small, they may still represent a significant source of water during summer for shallow roots. Plants may attract water from hot zones around to the root zone, kept colder by the plant shadow and by transpiration.
Numerical modeling is also used to simulate one of the covers. Model output is compared to observations (suction and temperature), which are well reproduced in the top soil layers. The model does not reproduce the failure of the capillary barrier because it did not include gravity fingering, which explains flow through the coarse layer.; La zona no saturada juga un paper important en nombrosos fenòmens ambientals. És complex en zones àrides, on els fluxos d'aigua líquida són petits i els fluxos de vapor adquireixen rellevància. El transport de calor, d'aigua i de soluts és necessari per entendre l'evaporació. Aquesta tesi vol millorar el coneixement sobre l'evaporació i els mecanismes de flux de vapor, i analitzar la rellevància dels gradients de succió, de temperatura i osmòtics. Aquestes qüestions són especialment rellevants per la salinització de sòls, els mecanismes són poc coneguts malgrat el seu impacte global. Hem estudiat experiments de columna d'evaporació on s'ha trobat un procés de separació d'aigua al sòl. Per sobre del front d'evaporació, que és molt estret, el sòl conté altes concentracions a causa dels soluts transportats pel flux ascendent de líquid i la seva posterior evaporació. Per sota, les concentracions són inferiors a les inicials, perquè el vapor flueix cap avall des del front d'evaporació impulsat per gradients de temperatura. Allà condensa, causant la dilució del flux ascendent d'aigua, millorant les condicions del sòl i proporcionant una àrea on les arrels de les plantes podrien viure. Mitjançant un model de flux multifàsic no isoterm i transport reactiu dels experiments, s'han quantificat els processos per entendre la naturalesa del flux descendent de vapor. S'ha modificat la corba de retenció per representar condicions molt seques del sòl. El nostre model és compatible amb la divisió tradicional del sòl, per un front d'evaporació, en una regió seca i una regió humida. Aquest punt de vista pot ser suficient per a l'avaluació de tases d'evaporació i balanços de massa d'aigua, però no per a l'avaluació dels processos de sals, que requereixen no només el coneixement del flux d'aigua líquida, sinó també la difusió de vapor per sota del front d'evaporació. Conceptes de flux no saturat controlen el disseny de cobertures per aïllar residus sòlids. El seu objectiu és protegir els residus de la infiltració durant llargs períodes de temps mitjançant la promoció de l¿escorrentia superficial i el drenatge lateral, i evitant la biointrusió. Dos dissenys de cobertura, basats en una capa per l'evapotranspiració, una barrera de biointrusió i una barrera d'infiltració, van ser construïts. Analitzem el seu funcionament durant dos anys a través d'un complet sistema de monitorització. Es conclou que la part superior de la cobertura va funcionar com estava previst, però no així la barrera d'infiltració inferior. Es suggereixen millores de disseny: augmentar la capacitat de retenció de les capes de sorra, incloure capes de filtre i facilitar el drenatge lateral augmentant el pendent a la zona superior. S'han estudiat les variacions diàries i anuals dels fluxos de vapor a partir de dades de la cobertura i de modelació numèrica. Trobem que la major part del flux d'aigua a la part superior del sòl es produeix en la fase gasosa. Els fluxos de vapor són controlats per la temperatura i segueixen les seves fluctuacions, canviant de direcció diàriament i amb un desfasament que augmenta amb la profunditat. Els fluxos de vapor descendent són dominants durant l'estiu i els ascendents durant l'hivern. A més profunditat, els fluxos de vapor varien estacionalment, i flueixen gairebé constantment cap amunt durant les èpoques fredes, i viceversa. Les pluges tenen un efecte de refredament, revertint els fluxos de vapor a l'estiu. El flux net anual és descendent. El model demana simular flux a través de vies preferencials. Si bé els fluxos de vapor són quantitativament petits, poden representar una important font d'aigua durant l'estiu per a les arrels poc profundes. S'ha presentat també, una solució analítica per al càlcul de fluxos difusius de vapor al sòl.; La zona no saturada juega un papel importante en numerosos fenómenos ambientales. Es complejo en zonas áridas, donde los flujos de agua líquida son pequeños y los flujos de vapor adquieren relevancia. El transporte de calor, de agua y de solutos es necesario para entender la evaporación.
Esta tesis quiere mejorar el conocimiento sobre la evaporación y los mecanismos de flujo de vapor, y analizar la relevancia de los gradientes de succión, temperatura y osmóticos.
Estas cuestiones son especialmente relevantes para la salinización de suelos, cuyos mecanismos son poco conocidos a pesar de su impacto global. Hemos estudiado experimentos de columna de evaporación en los que se ha encontrado un proceso de separación de agua en el suelo. Por encima del frente de evaporación, que es muy estrecho, el suelo contiene altas concentraciones de sal debido a los solutos transportados por el flujo ascendente de líquido y su posterior evaporación.
Por debajo, las concentraciones son inferiores a las iniciales, porque el vapor fluye hacia abajo desde el frente de evaporación impulsado por gradientes de temperatura. Allí condensa, causando la dilución del flujo ascendente de agua, mejorando las condiciones del suelo y proporcionando un área donde las raíces de las plantas podrían vivir.
Mediante un modelo de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo de los experimentos, se han cuantificado los procesos, para entender la naturaleza del flujo descendente de vapor.
Se ha modificado la curva de retención para representar condiciones muy secas del suelo. Nuestro modelo es compatible con la división tradicional del suelo, por un frente de evaporación, en una región seca y una región húmeda. Este punto de vista puede ser suficiente para la evaluación de tasas de evaporación y balances de masa de agua, pero no para la evaluación de los procesos de sales, que requieren no sólo el conocimiento del flujo de agua líquida, sino también la difusión de vapor por debajo del frente de evaporación.
Conceptos de flujo no saturado controlan el diseño de coberturas para aislar residuos sólidos.
Su objetivo es proteger los residuos de la infiltración durante largos periodos de tiempo mediante la promoción de la escorrentía superficial y el drenaje lateral, y evitando la biointrusión. Dos diseños de cobertura, basados en una capa para la evapotranspiración, una barrera de biointrusión y una barrera de infiltración, fueron construidos. Analizamos su funcionamiento durante dos años a través de un completo sistema de monitorización. Se concluye que la parte superior de la cobertura funcionó como estaba previsto, pero no así la barrera de infiltración inferior. Se sugieren algunas mejoras de diseño: aumentar la capacidad de retención de las capas de arena, incluir capas de filtro y facilitar el drenaje lateral aumentando la pendiente en la zona superior.
Se han estudiado las variaciones diarias y anuales de los flujos de vapor a partir de datos de la cobertura y de modelación numérica. Encontramos que la mayor parte del flujo de agua en la parte superior del suelo se produce en la fase gaseosa. Los flujos de vapor son controlados por la temperatura y siguen sus fluctuaciones, cambiando de dirección diariamente y con un desfase que va en aumento con la profundidad. Los flujos de vapor descendente son dominantes durante el verano y los ascendentes durante el invierno. A mayor profundidad, los flujos de vapor varían estacionalmente, y fluyen casi constantemente hacia arriba durante las épocas frías, y viceversa.
Las lluvias tienen un efecto de enfriamiento, revirtiendo los flujos de vapor en verano. El flujo neto anual es descendente. El modelo necesita simular flujo a través de vías preferenciales. Si bien los flujos de vapor son cuantitativamente pequeños, pueden representar una importante fuente de agua durante el verano para las raíces poco profundas. Se ha presentado también, una solución analítica para el cálculo de flujos difusivos de vapor en el suelo
2015-07-16T12:13:28ZGran Esforzado, MeritxellUnsaturated flow plays an important role in numerous environmental phenomena. It is complex in arid regions, where liquid water fluxes are small and vapor fluxes become relevant, so that heat, water and solute mass transport are needed to understand evaporation. This thesis aims at gaining insight evaporation and vapor flow mechanisms and the relevance of matric potential, temperature and osmotic gradients.
These issues are especially relevant for soil salinization, whose mechanisms are poorly understood despite their global impact. We studied them in open soil evaporation column experiments. We found that a water separation process occurs in the soil. Above a very narrow evaporation front, the soil contains high salt concentrations due the solutes transported by the upward liquid flux and concentrated by evaporation. Below, concentrations are lower than the initial ones, because vapor flows downwards below the evaporation front driven by temperature gradients. Condensation of this downward vapor flux dilutes upflowing water, improving soil conditions and providing an area where root plants could live.
We modeled nonisothermal multiphase flow and reactive transport during the experiments to quantify the actual processes and to understand the nature of the downward vapor flux. Modeling required modifying the retention curve to represent oven dry conditions. Our model supports the traditional division of soil, by an evaporation front, into a dry region and a moist region. This view may suffice for evaluating evaporation rates and water mass balances, but not for assessing salt processes, which require acknowledging that not only liquid water flow but also vapor diffusion occur below the evaporation front.
Unsaturated flow concepts control the design of covers to isolate solid waste. Their goal is to protect the waste from infiltration during long periods of time by promoting surface runoff and lateral drainage and by hindering biointrusion. Two cover designs were built, both consisting of an evapotranspiration layer, a biointrusion barrier and an infiltration barrier. We analyzed their performance for two years (2009 and 2010, which was very wet) by a thorough monitoring system. We conclude that the upper portion of one cover did work as planned, but the lower infiltration barrier did not, which suggests some design improvements: increase the retention capacity of the sand layers, include filter layers and facilitate lateral drainage by increasing the slope in the top area.
We studied the daily and annual variations of vapor fluxes using data from the covers. We find that most water flow in the top portion of the soil occurs in the gas phase. Vapor fluxes are controlled by temperature and follow its fluctuations, switching direction with a daily frequency and a depth dependent lag. Downward vapor fluxes are dominant during the summer and upward fluxes during the winter. Deeper into the soil, vapor fluxes vary seasonally, flowing almost constantly upwards during the cold season, and vice versa. Rainfall events have a cooling effect, reversing summer vapor fluxes. Yet, the net annual flux is downwards. Furthermore, an approximate analytical solution to calculate diffusive vapor fluxes at any depth, is presented. While vapor fluxes are quantitatively small, they may still represent a significant source of water during summer for shallow roots. Plants may attract water from hot zones around to the root zone, kept colder by the plant shadow and by transpiration.
Numerical modeling is also used to simulate one of the covers. Model output is compared to observations (suction and temperature), which are well reproduced in the top soil layers. The model does not reproduce the failure of the capillary barrier because it did not include gravity fingering, which explains flow through the coarse layer.
La zona no saturada juga un paper important en nombrosos fenòmens ambientals. És complex en zones àrides, on els fluxos d'aigua líquida són petits i els fluxos de vapor adquireixen rellevància. El transport de calor, d'aigua i de soluts és necessari per entendre l'evaporació. Aquesta tesi vol millorar el coneixement sobre l'evaporació i els mecanismes de flux de vapor, i analitzar la rellevància dels gradients de succió, de temperatura i osmòtics. Aquestes qüestions són especialment rellevants per la salinització de sòls, els mecanismes són poc coneguts malgrat el seu impacte global. Hem estudiat experiments de columna d'evaporació on s'ha trobat un procés de separació d'aigua al sòl. Per sobre del front d'evaporació, que és molt estret, el sòl conté altes concentracions a causa dels soluts transportats pel flux ascendent de líquid i la seva posterior evaporació. Per sota, les concentracions són inferiors a les inicials, perquè el vapor flueix cap avall des del front d'evaporació impulsat per gradients de temperatura. Allà condensa, causant la dilució del flux ascendent d'aigua, millorant les condicions del sòl i proporcionant una àrea on les arrels de les plantes podrien viure. Mitjançant un model de flux multifàsic no isoterm i transport reactiu dels experiments, s'han quantificat els processos per entendre la naturalesa del flux descendent de vapor. S'ha modificat la corba de retenció per representar condicions molt seques del sòl. El nostre model és compatible amb la divisió tradicional del sòl, per un front d'evaporació, en una regió seca i una regió humida. Aquest punt de vista pot ser suficient per a l'avaluació de tases d'evaporació i balanços de massa d'aigua, però no per a l'avaluació dels processos de sals, que requereixen no només el coneixement del flux d'aigua líquida, sinó també la difusió de vapor per sota del front d'evaporació. Conceptes de flux no saturat controlen el disseny de cobertures per aïllar residus sòlids. El seu objectiu és protegir els residus de la infiltració durant llargs períodes de temps mitjançant la promoció de l¿escorrentia superficial i el drenatge lateral, i evitant la biointrusió. Dos dissenys de cobertura, basats en una capa per l'evapotranspiració, una barrera de biointrusió i una barrera d'infiltració, van ser construïts. Analitzem el seu funcionament durant dos anys a través d'un complet sistema de monitorització. Es conclou que la part superior de la cobertura va funcionar com estava previst, però no així la barrera d'infiltració inferior. Es suggereixen millores de disseny: augmentar la capacitat de retenció de les capes de sorra, incloure capes de filtre i facilitar el drenatge lateral augmentant el pendent a la zona superior. S'han estudiat les variacions diàries i anuals dels fluxos de vapor a partir de dades de la cobertura i de modelació numèrica. Trobem que la major part del flux d'aigua a la part superior del sòl es produeix en la fase gasosa. Els fluxos de vapor són controlats per la temperatura i segueixen les seves fluctuacions, canviant de direcció diàriament i amb un desfasament que augmenta amb la profunditat. Els fluxos de vapor descendent són dominants durant l'estiu i els ascendents durant l'hivern. A més profunditat, els fluxos de vapor varien estacionalment, i flueixen gairebé constantment cap amunt durant les èpoques fredes, i viceversa. Les pluges tenen un efecte de refredament, revertint els fluxos de vapor a l'estiu. El flux net anual és descendent. El model demana simular flux a través de vies preferencials. Si bé els fluxos de vapor són quantitativament petits, poden representar una important font d'aigua durant l'estiu per a les arrels poc profundes. S'ha presentat també, una solució analítica per al càlcul de fluxos difusius de vapor al sòl.
La zona no saturada juega un papel importante en numerosos fenómenos ambientales. Es complejo en zonas áridas, donde los flujos de agua líquida son pequeños y los flujos de vapor adquieren relevancia. El transporte de calor, de agua y de solutos es necesario para entender la evaporación.
Esta tesis quiere mejorar el conocimiento sobre la evaporación y los mecanismos de flujo de vapor, y analizar la relevancia de los gradientes de succión, temperatura y osmóticos.
Estas cuestiones son especialmente relevantes para la salinización de suelos, cuyos mecanismos son poco conocidos a pesar de su impacto global. Hemos estudiado experimentos de columna de evaporación en los que se ha encontrado un proceso de separación de agua en el suelo. Por encima del frente de evaporación, que es muy estrecho, el suelo contiene altas concentraciones de sal debido a los solutos transportados por el flujo ascendente de líquido y su posterior evaporación.
Por debajo, las concentraciones son inferiores a las iniciales, porque el vapor fluye hacia abajo desde el frente de evaporación impulsado por gradientes de temperatura. Allí condensa, causando la dilución del flujo ascendente de agua, mejorando las condiciones del suelo y proporcionando un área donde las raíces de las plantas podrían vivir.
Mediante un modelo de flujo multifásico no isotermo y transporte reactivo de los experimentos, se han cuantificado los procesos, para entender la naturaleza del flujo descendente de vapor.
Se ha modificado la curva de retención para representar condiciones muy secas del suelo. Nuestro modelo es compatible con la división tradicional del suelo, por un frente de evaporación, en una región seca y una región húmeda. Este punto de vista puede ser suficiente para la evaluación de tasas de evaporación y balances de masa de agua, pero no para la evaluación de los procesos de sales, que requieren no sólo el conocimiento del flujo de agua líquida, sino también la difusión de vapor por debajo del frente de evaporación.
Conceptos de flujo no saturado controlan el diseño de coberturas para aislar residuos sólidos.
Su objetivo es proteger los residuos de la infiltración durante largos periodos de tiempo mediante la promoción de la escorrentía superficial y el drenaje lateral, y evitando la biointrusión. Dos diseños de cobertura, basados en una capa para la evapotranspiración, una barrera de biointrusión y una barrera de infiltración, fueron construidos. Analizamos su funcionamiento durante dos años a través de un completo sistema de monitorización. Se concluye que la parte superior de la cobertura funcionó como estaba previsto, pero no así la barrera de infiltración inferior. Se sugieren algunas mejoras de diseño: aumentar la capacidad de retención de las capas de arena, incluir capas de filtro y facilitar el drenaje lateral aumentando la pendiente en la zona superior.
Se han estudiado las variaciones diarias y anuales de los flujos de vapor a partir de datos de la cobertura y de modelación numérica. Encontramos que la mayor parte del flujo de agua en la parte superior del suelo se produce en la fase gaseosa. Los flujos de vapor son controlados por la temperatura y siguen sus fluctuaciones, cambiando de dirección diariamente y con un desfase que va en aumento con la profundidad. Los flujos de vapor descendente son dominantes durante el verano y los ascendentes durante el invierno. A mayor profundidad, los flujos de vapor varían estacionalmente, y fluyen casi constantemente hacia arriba durante las épocas frías, y viceversa.
Las lluvias tienen un efecto de enfriamiento, revirtiendo los flujos de vapor en verano. El flujo neto anual es descendente. El modelo necesita simular flujo a través de vías preferenciales. Si bien los flujos de vapor son cuantitativamente pequeños, pueden representar una importante fuente de agua durante el verano para las raíces poco profundas. Se ha presentado también, una solución analítica para el cálculo de flujos difusivos de vapor en el sueloEstudio experimental y análisis numérico de la desecación en suelos arcillosos
http://hdl.handle.net/2117/95696
Estudio experimental y análisis numérico de la desecación en suelos arcillosos
Levatti, Hector Ulises
This thesis focuses on the experimental and numerical study of the desiccation processes of low-plasticity clayey soils that usually result in shrinkage and often in cracking.
A comprehensive state of the art that defines the background, variants, objectives, variables and factors affecting the process is presented. In addition, existing theoretical models and numerical simulations in the literature to address the problem of soil desiccation and cracking are reviewed.
The experimental study focuses in the first place on auscultation for detecting cracks within a soil mass, which are not visible, with a novel technique in this field: the Ground Penetrating Radar. This technique has been used because of the three-dimensional auscultation requirement and their operational and economic advantages. An experimental study with thin rectangular soil samples is included, that allow studying the influence of the aspect ratio of the samples and the initial size of the soil particles. As part of this thesis, a test has also performed with a cylindrical sample subjected to a rapid desiccation process using the maximum drying capacity available in an environmental chamber at the laboratory, setting the highest possible temperature. The experimental part of the thesis concludes with a comprehensive test of two phases of desiccation and wetting and one phase of flooding on a cylindrical sample of soil, non-existent until now in the literature.
For the theoretical development of the numerical model on which this thesis is based, Unsaturated Soils Mechanics, Classic Strength of Materials and concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) are used to establish the necessary framework for formulating various phenomena such as water flow in deformable porous medium and cracking.
In the body of the thesis, the mathematical formulation of the model and its implementation in a hydro-mechanical coupled program, based on the Finite Element Method (FEM) and Finite Difference Method (FDM) in a MATLAB environment are presented. The ultimate goal of this code is the numerical simulation of the flow in a deformable porous medium and cracking in soils, for which the node release technique is used. A proposal for using the LEFM for describing some of the phases of cracking is included as well.
The code developed in this thesis has been used to perform several numerical analyses. Transversal, radial and diametrical sections of cylindrical and prismatic soil samples subjected to drying processes are simulated. Simulations are made to reproduce numerically theoretical experiments and existing experimental results available in the literature as well as from the tests performed in the context of this thesis. The objective of these simulations is to determine the mechanisms by which the soil shrinks and cracks during desiccation.; La presente tesis se centra en el estudio de aspectos experimentales y numéricos de los procesos de desecación en suelos arcillosos de baja plasticidad que habitualmente resultan en retracción y a menudo agrietamiento. Se presenta un exhaustivo Estado del Arte que define los antecedentes, variantes, objetivos, variables y factores que afectan al proceso. Además, se revisan los modelos teóricos y simulaciones numéricas existentes en la literatura para tratar el problema de desecación y agrietamiento del suelo. El estudio experimental se centra en primer lugar en la auscultación para la detección de grietas en el interior de una masa de suelo que, por tanto, no son visibles, con una novedosa técnica en este campo: el georadar. Se ha recurrido a esta técnica por la necesidad de auscultación tridimensional y por sus ventajas operativas y económicas. Se incluye un estudio experimental con muestras rectangulares delgadas de suelo que permite estudiar la influencia de la relación de lados de las muestras y del tamaño inicial de las partículas de suelo. En esta tesis se ha ejecutado también un ensayo con una muestra cilíndrica sometida a un proceso de secado rápido utilizando la máxima capacidad de secado disponible en una cámara ambiental de laboratorio, fijando la temperatura más alta posible. La vertiente experimental de la tesis concluye con un ensayo completo de dos fases de secado y humedecimiento, y una fase de inundación, sobre una muestra de suelo cilíndrica, inexistente hasta la actualidad en la literatura. Para el desarrollo teórico sobre el que se basa el modelo numérico objeto de esta tesis, se utiliza la Mecánica de Suelos no Saturados, la Resistencia de Materiales Clásica y conceptos de la Mecánica de Fractura Lineal Elástica (MFLE) para establecer el marco teórico necesario para formular varios fenómenos como son el flujo de agua en medios porosos deformables y el agrietamiento. En el cuerpo de la tesis se expone de forma detallada la formulación matemática del modelo y su implementación en un programa de cálculo acoplado hidromecánico por el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de las Diferencias Finitas (MDF) en el entorno MATLAB. El objetivo final de este programa de cálculo es la simulación numérica del problema hidromecánico de flujo en un medio poroso deformable y del agrietamiento en suelos, para lo cual se recurre a la técnica de liberación de nodos. Se incluye además una propuesta para el uso de la MFLE para la descripción de algunas de las fases del agrietamiento. En la tesis se llevan a cabo un gran número de análisis con el código desarrollado. Se simulan secciones transversales, radiales y diametrales de muestras prismáticas y cilíndricas de suelo sometido a procesos de secado, tanto desde el punto de vista teórico como con la intención de reproducir numéricamente los resultados experimentales disponibles tanto en la literatura como de los ensayos realizados en el desarrollo de esta tesis. Con estas simulaciones se determinan los mecanismos por los cuales el suelo se retrae y agrieta durante la desecación.
2015-07-14T10:35:10ZLevatti, Hector UlisesThis thesis focuses on the experimental and numerical study of the desiccation processes of low-plasticity clayey soils that usually result in shrinkage and often in cracking.
A comprehensive state of the art that defines the background, variants, objectives, variables and factors affecting the process is presented. In addition, existing theoretical models and numerical simulations in the literature to address the problem of soil desiccation and cracking are reviewed.
The experimental study focuses in the first place on auscultation for detecting cracks within a soil mass, which are not visible, with a novel technique in this field: the Ground Penetrating Radar. This technique has been used because of the three-dimensional auscultation requirement and their operational and economic advantages. An experimental study with thin rectangular soil samples is included, that allow studying the influence of the aspect ratio of the samples and the initial size of the soil particles. As part of this thesis, a test has also performed with a cylindrical sample subjected to a rapid desiccation process using the maximum drying capacity available in an environmental chamber at the laboratory, setting the highest possible temperature. The experimental part of the thesis concludes with a comprehensive test of two phases of desiccation and wetting and one phase of flooding on a cylindrical sample of soil, non-existent until now in the literature.
For the theoretical development of the numerical model on which this thesis is based, Unsaturated Soils Mechanics, Classic Strength of Materials and concepts of Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) are used to establish the necessary framework for formulating various phenomena such as water flow in deformable porous medium and cracking.
In the body of the thesis, the mathematical formulation of the model and its implementation in a hydro-mechanical coupled program, based on the Finite Element Method (FEM) and Finite Difference Method (FDM) in a MATLAB environment are presented. The ultimate goal of this code is the numerical simulation of the flow in a deformable porous medium and cracking in soils, for which the node release technique is used. A proposal for using the LEFM for describing some of the phases of cracking is included as well.
The code developed in this thesis has been used to perform several numerical analyses. Transversal, radial and diametrical sections of cylindrical and prismatic soil samples subjected to drying processes are simulated. Simulations are made to reproduce numerically theoretical experiments and existing experimental results available in the literature as well as from the tests performed in the context of this thesis. The objective of these simulations is to determine the mechanisms by which the soil shrinks and cracks during desiccation.
La presente tesis se centra en el estudio de aspectos experimentales y numéricos de los procesos de desecación en suelos arcillosos de baja plasticidad que habitualmente resultan en retracción y a menudo agrietamiento. Se presenta un exhaustivo Estado del Arte que define los antecedentes, variantes, objetivos, variables y factores que afectan al proceso. Además, se revisan los modelos teóricos y simulaciones numéricas existentes en la literatura para tratar el problema de desecación y agrietamiento del suelo. El estudio experimental se centra en primer lugar en la auscultación para la detección de grietas en el interior de una masa de suelo que, por tanto, no son visibles, con una novedosa técnica en este campo: el georadar. Se ha recurrido a esta técnica por la necesidad de auscultación tridimensional y por sus ventajas operativas y económicas. Se incluye un estudio experimental con muestras rectangulares delgadas de suelo que permite estudiar la influencia de la relación de lados de las muestras y del tamaño inicial de las partículas de suelo. En esta tesis se ha ejecutado también un ensayo con una muestra cilíndrica sometida a un proceso de secado rápido utilizando la máxima capacidad de secado disponible en una cámara ambiental de laboratorio, fijando la temperatura más alta posible. La vertiente experimental de la tesis concluye con un ensayo completo de dos fases de secado y humedecimiento, y una fase de inundación, sobre una muestra de suelo cilíndrica, inexistente hasta la actualidad en la literatura. Para el desarrollo teórico sobre el que se basa el modelo numérico objeto de esta tesis, se utiliza la Mecánica de Suelos no Saturados, la Resistencia de Materiales Clásica y conceptos de la Mecánica de Fractura Lineal Elástica (MFLE) para establecer el marco teórico necesario para formular varios fenómenos como son el flujo de agua en medios porosos deformables y el agrietamiento. En el cuerpo de la tesis se expone de forma detallada la formulación matemática del modelo y su implementación en un programa de cálculo acoplado hidromecánico por el Método de los Elementos Finitos (MEF) y el Método de las Diferencias Finitas (MDF) en el entorno MATLAB. El objetivo final de este programa de cálculo es la simulación numérica del problema hidromecánico de flujo en un medio poroso deformable y del agrietamiento en suelos, para lo cual se recurre a la técnica de liberación de nodos. Se incluye además una propuesta para el uso de la MFLE para la descripción de algunas de las fases del agrietamiento. En la tesis se llevan a cabo un gran número de análisis con el código desarrollado. Se simulan secciones transversales, radiales y diametrales de muestras prismáticas y cilíndricas de suelo sometido a procesos de secado, tanto desde el punto de vista teórico como con la intención de reproducir numéricamente los resultados experimentales disponibles tanto en la literatura como de los ensayos realizados en el desarrollo de esta tesis. Con estas simulaciones se determinan los mecanismos por los cuales el suelo se retrae y agrieta durante la desecación.Dissolved CO2 effect on the reactivity of the Hontomín reservoir rocks (limestone and sandstone)
http://hdl.handle.net/2117/95660
Dissolved CO2 effect on the reactivity of the Hontomín reservoir rocks (limestone and sandstone)
García Ríos, María
A test site for CO2 geological storage is situated in Hontomín (Burgos, northern Spain) with a reservoir rock that is mainly composed of limestone (80-85%) and sandstone (15-20%). The reservoir rock is a deep saline aquifer that is covered by a very low permeability formation which acts as a cap rock. During and after CO2 injection, since the resident groundwater contains sulfate, the resulting CO2-rich acid solution gives rise to the dissolution of carbonate minerals (calcite and dolomite) and secondary sulfate-rich mineral precipitation (gypsum or anhydrite) may occur. These reactions that may imply changes in the porosity, permeability and pore structure of the repository could vary the CO2 storage capacity and injectivity of the reservoir rock.
Therefore, better knowledge about the overall process of gypsum precipitation at the expense of carbonate mineral dissolution in CO2-rich solutions and its implications for the hydrodynamic properties of the reservoir rocks is necessary. A first aim of this thesis is to better understand these coupled reactions by assessing the effect that P, pCO2, T, mineralogy, acidity and solution saturation state exert on these reactions. To this end, experiments using columns filled with crushed limestone or dolostone are conducted under different P-pCO2 conditions (atmospheric:1-10-3.5 bar; subcritical: 10-10 bar; and supercritical: 150-34 bar), T (25, 40 and 60 °C) and input solution compositions (gypsum-undersaturated and gypsum-equilibrated solutions). The CrunchFlow and PhreeqC (v.3) numerical codes are used to perform 1D reactive transport simulations of the experiments to evaluate mineral reaction rates in the system and quantify the porosity variation along the column.
Within the range of P-pCO2 and T of this study only gypsum precipitation takes place and this only occurs when the injected solution is equilibrated with gypsum. Under the P-pCO2-T conditions, the volume of precipitated gypsum is smaller than the volume of dissolved carbonate minerals, yielding always an increase in porosity (¿¿ up to ¿ 4%).
A decrease in T favors limestone dissolution regardless of pCO2 owing to increasing undersaturation with decreasing temperature. However, gypsum precipitation is favored at high T and under atmospheric pCO2 conditions but not at high T and under 10 bar of pCO2 conditions. The increase in limestone dissolution with pCO2 is directly attributed to pH, which is more acidic at higher pCO2.
A decrease in T favors limestone dissolution regardless of pCO2 owing to increasing undersaturation with decreasing temperature. However, gypsum precipitation is favored at high T and under atmospheric pCO2 conditions but not at high T and under 10 bar of pCO2 conditions. The increase in limestone dissolution with pCO2 is directly attributed to pH, which is more acidic at higher pCO2.
Limestone dissolution induces late gypsum precipitation (long induction time) in contrast to dolostone dissolution, which promotes rapid gypsum precipitation. Moreover, owing to the slow kinetics of dolomite dissolution with respect to that of calcite, both the volume of dissolved mineral and the increase in porosity are larger in the limestone experiments than in the dolostone ones under all pCO2 conditions (10-3.5 and 10 bar).
Limestone dissolution induces late gypsum precipitation (long induction time) in contrast to dolostone dissolution, which promotes rapid gypsum precipitation. Moreover, owing to the slow kinetics of dolomite dissolution with respect to that of calcite, both the volume of dissolved mineral and the increase in porosity are larger in the limestone experiments than in the dolostone ones under all pCO2 conditions (10-3.5 and 10 bar).; Una planta pilot per a l'emmagatzematge geològic de CO2 es troba a Hontomín (Burgos). El reservori és un aqüífer salí profund, format principalment per roca calcària (80-85%) i gres (15-20%), que està situat entre dues capes de molt baixa permeabilitat que actuen com a roques segell. La dissolució de CO2 a l'aigua del reservori provocarà una disminució del pH i, en conseqüència, la dissolució dels carbonats presents en el reservori. Tenint en compte que l'aigua resident és rica en sulfat, és possible la precipitació de minerals secundaris (guix o anhidrita). Aquestes reaccions poden provocar canvis en la porositat, la permeabilitat i l'estructura de por del reservori que, a la vegada, poden afectar la seva injectivitat i capacitat d'emmagatzematge. Per tant, cal aprofundir en el coneixement sobre els processos acoblats de precipitació de guix i dissolució de carbonats (calcita i dolomita) en solucions riques en CO2 dissolt i les seves implicacions en les propietats hidrodinàmiques de la roca reservori. Un primer objectiu d'aquesta tesi és poder comprendre millor aquestes reaccions acoblades mitjançant l'avaluació de l'efecte que exerceixen la pressió P, la pressió parcial de CO2 pCO2, la temperatura T, la mineralogia, l'acidesa i l'estat de saturació de la solució sobre aquestes reaccions. Amb aquest objectiu, s'han realitzat una sèrie d'experiments utilitzant columnes plenes de roca calcària o dolomia triturada sota diferents condicions de P-pCO2 (atmosfèrica: 1-10-3.5 bar; subcrítica: 10-10 bar, i supercrítica: 150-34 bar), T (25, 40 i 60 ° C) i composició de la solució d'entrada (solucions subsaturades o equilibrades amb guix). Els codis numèrics CrunchFlow i PhreeqC (v.3) s'han utilitzat per realitzar simulacions de transport reactiu dels experiments en columna amb l'objectiu d'avaluar les velocitats de reacció en el sistema i quantificar la variació de la porositat al llarg de la columna. En les condicions de P-pCO2-T estudiades, la precipitació de guix únicament té lloc quan la solució injectada està en equilibri amb guix. A més, el volum de guix precipitat és menor que el volum de carbonat dissolt, originant sempre un augment de porositat. Una disminució en la T afavoreix la dissolució de la calcària independentment de la pCO2 degut a l'augment de la subsaturació. No obstant, la precipitació de guix està afavorida a alta T per condicions atmosfèriques, originant-se l¿efecte contrari per condicions subcrítiques. L'augment de la pCO2 comporta un augment en la dissolució de calcària, fet que és directament atribuït a l'efecte del pH, que és més àcid a major pCO2. La dissolució de calcària comporta un retard en la precipitació de guix (llarg temps d'inducció), al contrari del que passa amb la dissolució de dolomia que promou una ràpida precipitació de guix. A més, a causa de la lenta cinètica de dissolució de la dolomita amb respecte a la de la calcita, el volum de mineral dissolt i l'augment de porositat són majors en els experiments amb calcària sota totes les condicions de pCO2 estudiades. La dissolució de calcària comporta un retard en la precipitació de guix (llarg temps d'inducció), al contrari del que passa amb la dissolució de dolomia que promou una ràpida precipitació de guix. A més, a causa de la lenta cinètica de dissolució de la dolomita amb respecte a la de la calcita, el volum de mineral dissolt i l'augment de porositat són majors en els experiments amb calcària sota totes les condicions de pCO2 estudiades. La dissolució del carbonat es produeix al llarg de tota la columna quan la pCO2 és alta (10 and 34 bar) i, en canvi, es localitza a l'entrada de la columna sota condicions atmosfèriques. Aquesta diferència és deguda a la capacitat tampó de l'àcid carbònic, ja que manté el pH al voltant de 5 i la solució subsaturada pel que fa a la calcita i a la dolomita al llarg de la columna
2015-04-09T14:26:10ZGarcía Ríos, MaríaA test site for CO2 geological storage is situated in Hontomín (Burgos, northern Spain) with a reservoir rock that is mainly composed of limestone (80-85%) and sandstone (15-20%). The reservoir rock is a deep saline aquifer that is covered by a very low permeability formation which acts as a cap rock. During and after CO2 injection, since the resident groundwater contains sulfate, the resulting CO2-rich acid solution gives rise to the dissolution of carbonate minerals (calcite and dolomite) and secondary sulfate-rich mineral precipitation (gypsum or anhydrite) may occur. These reactions that may imply changes in the porosity, permeability and pore structure of the repository could vary the CO2 storage capacity and injectivity of the reservoir rock.
Therefore, better knowledge about the overall process of gypsum precipitation at the expense of carbonate mineral dissolution in CO2-rich solutions and its implications for the hydrodynamic properties of the reservoir rocks is necessary. A first aim of this thesis is to better understand these coupled reactions by assessing the effect that P, pCO2, T, mineralogy, acidity and solution saturation state exert on these reactions. To this end, experiments using columns filled with crushed limestone or dolostone are conducted under different P-pCO2 conditions (atmospheric:1-10-3.5 bar; subcritical: 10-10 bar; and supercritical: 150-34 bar), T (25, 40 and 60 °C) and input solution compositions (gypsum-undersaturated and gypsum-equilibrated solutions). The CrunchFlow and PhreeqC (v.3) numerical codes are used to perform 1D reactive transport simulations of the experiments to evaluate mineral reaction rates in the system and quantify the porosity variation along the column.
Within the range of P-pCO2 and T of this study only gypsum precipitation takes place and this only occurs when the injected solution is equilibrated with gypsum. Under the P-pCO2-T conditions, the volume of precipitated gypsum is smaller than the volume of dissolved carbonate minerals, yielding always an increase in porosity (¿¿ up to ¿ 4%).
A decrease in T favors limestone dissolution regardless of pCO2 owing to increasing undersaturation with decreasing temperature. However, gypsum precipitation is favored at high T and under atmospheric pCO2 conditions but not at high T and under 10 bar of pCO2 conditions. The increase in limestone dissolution with pCO2 is directly attributed to pH, which is more acidic at higher pCO2.
A decrease in T favors limestone dissolution regardless of pCO2 owing to increasing undersaturation with decreasing temperature. However, gypsum precipitation is favored at high T and under atmospheric pCO2 conditions but not at high T and under 10 bar of pCO2 conditions. The increase in limestone dissolution with pCO2 is directly attributed to pH, which is more acidic at higher pCO2.
Limestone dissolution induces late gypsum precipitation (long induction time) in contrast to dolostone dissolution, which promotes rapid gypsum precipitation. Moreover, owing to the slow kinetics of dolomite dissolution with respect to that of calcite, both the volume of dissolved mineral and the increase in porosity are larger in the limestone experiments than in the dolostone ones under all pCO2 conditions (10-3.5 and 10 bar).
Limestone dissolution induces late gypsum precipitation (long induction time) in contrast to dolostone dissolution, which promotes rapid gypsum precipitation. Moreover, owing to the slow kinetics of dolomite dissolution with respect to that of calcite, both the volume of dissolved mineral and the increase in porosity are larger in the limestone experiments than in the dolostone ones under all pCO2 conditions (10-3.5 and 10 bar).
Una planta pilot per a l'emmagatzematge geològic de CO2 es troba a Hontomín (Burgos). El reservori és un aqüífer salí profund, format principalment per roca calcària (80-85%) i gres (15-20%), que està situat entre dues capes de molt baixa permeabilitat que actuen com a roques segell. La dissolució de CO2 a l'aigua del reservori provocarà una disminució del pH i, en conseqüència, la dissolució dels carbonats presents en el reservori. Tenint en compte que l'aigua resident és rica en sulfat, és possible la precipitació de minerals secundaris (guix o anhidrita). Aquestes reaccions poden provocar canvis en la porositat, la permeabilitat i l'estructura de por del reservori que, a la vegada, poden afectar la seva injectivitat i capacitat d'emmagatzematge. Per tant, cal aprofundir en el coneixement sobre els processos acoblats de precipitació de guix i dissolució de carbonats (calcita i dolomita) en solucions riques en CO2 dissolt i les seves implicacions en les propietats hidrodinàmiques de la roca reservori. Un primer objectiu d'aquesta tesi és poder comprendre millor aquestes reaccions acoblades mitjançant l'avaluació de l'efecte que exerceixen la pressió P, la pressió parcial de CO2 pCO2, la temperatura T, la mineralogia, l'acidesa i l'estat de saturació de la solució sobre aquestes reaccions. Amb aquest objectiu, s'han realitzat una sèrie d'experiments utilitzant columnes plenes de roca calcària o dolomia triturada sota diferents condicions de P-pCO2 (atmosfèrica: 1-10-3.5 bar; subcrítica: 10-10 bar, i supercrítica: 150-34 bar), T (25, 40 i 60 ° C) i composició de la solució d'entrada (solucions subsaturades o equilibrades amb guix). Els codis numèrics CrunchFlow i PhreeqC (v.3) s'han utilitzat per realitzar simulacions de transport reactiu dels experiments en columna amb l'objectiu d'avaluar les velocitats de reacció en el sistema i quantificar la variació de la porositat al llarg de la columna. En les condicions de P-pCO2-T estudiades, la precipitació de guix únicament té lloc quan la solució injectada està en equilibri amb guix. A més, el volum de guix precipitat és menor que el volum de carbonat dissolt, originant sempre un augment de porositat. Una disminució en la T afavoreix la dissolució de la calcària independentment de la pCO2 degut a l'augment de la subsaturació. No obstant, la precipitació de guix està afavorida a alta T per condicions atmosfèriques, originant-se l¿efecte contrari per condicions subcrítiques. L'augment de la pCO2 comporta un augment en la dissolució de calcària, fet que és directament atribuït a l'efecte del pH, que és més àcid a major pCO2. La dissolució de calcària comporta un retard en la precipitació de guix (llarg temps d'inducció), al contrari del que passa amb la dissolució de dolomia que promou una ràpida precipitació de guix. A més, a causa de la lenta cinètica de dissolució de la dolomita amb respecte a la de la calcita, el volum de mineral dissolt i l'augment de porositat són majors en els experiments amb calcària sota totes les condicions de pCO2 estudiades. La dissolució de calcària comporta un retard en la precipitació de guix (llarg temps d'inducció), al contrari del que passa amb la dissolució de dolomia que promou una ràpida precipitació de guix. A més, a causa de la lenta cinètica de dissolució de la dolomita amb respecte a la de la calcita, el volum de mineral dissolt i l'augment de porositat són majors en els experiments amb calcària sota totes les condicions de pCO2 estudiades. La dissolució del carbonat es produeix al llarg de tota la columna quan la pCO2 és alta (10 and 34 bar) i, en canvi, es localitza a l'entrada de la columna sota condicions atmosfèriques. Aquesta diferència és deguda a la capacitat tampó de l'àcid carbònic, ja que manté el pH al voltant de 5 i la solució subsaturada pel que fa a la calcita i a la dolomita al llarg de la columna