| Abstract |
A highly parameterized variable-density groundwater flow and solute transport model was developed to test multiple hypotheses for upward movement of treated wastewater (effluent) injected into a saline coastal aquifer in southeastern Florida, USA. The model was designed to assess risk to a drinking-water aquifer above the zone of injection, where monitoring wells have detected effluent. The model-based analysis accommodated geological and data complexity, including the observed presence of effluent in upper monitoring wells, but not in lower monitoring wells, thereby giving the appearance of the effluent having bypassed geological layers. The modeling approach included the application of multiple methodologies to reduce model run times during parameter estimation while providing detailed calibrated model(s) that can be used to assess the potential capacity for different mechanisms of effluent migration. The methods included use of a semi-analytical equation to quickly calculate initial concentrations, parallelization of model runs over multiple processors when calibrating, and utilization of the concepts of singular value decomposition and Tikhonov regularization to accommodate a high level of parameterization complexity. The results reveal that vertical effluent migration could occur as diffuse flow through heterogeneous confining units; however, flow through a channelized pathway caused by well construction appears to be more likely.Un modèle multi-paramétrique de drainage souterrain et d’écoulement de fluide à charge variable a été développé pour tester des hypothèses multiples sur la remontée d’un effluent traité, injecté dans un aquifère côtier salin, au Sud-Est de la Floride, USA. Le modèle a été conçu pour estimer le risque couru par un aquifère A.E.P. localisé au dessus de la zone d’injection, dans lequel des piézomètres de contrôle ont détecté l’effluent. L’analyse basée sur ce modèle prend en compte la complexité de la géologie et des données, incluant la présence de l’effluent dans des piézomètres amont et son absence dans des piézomètres aval, laissant supposer que celui-ci été dévié par des couches géologiques. La modélisation met en jeu des boucles multiples réduisant les temps de paramétrage. Elle fournit des modèles paramétrés pouvant être utilisés pour caractériser les différents mécanismes de migration de l’effluent. La méthode comporte l’utilisation d’une équation semi-analytique permettant de calculer rapidement des concentrations initiales, la mise en jeu de boucles parallèles multiples pour le paramétrage et l’utilisation des concepts de décomposition par valeur singulière avec lissage de Tikhonov pour gérer une grande complexité paramétrique. Les résultats montrent qu’une migration verticale de l’effluent peut avoir lieu sous forme de flux diffus à travers les formations hétérogènes encaissant l’aquifère; toutefois, un flux remontant par des trous de sondage défectueux paraît plus vraisemblable.Se desarrolló un modelo de flujo de agua subterránea y de transporte de soluto de densidad variable altamente parametrizado para probar múltiples hipótesis para el movimiento ascendente de agua residual (efluente) tratada e inyectada en un acuífero costero salino en el sudeste de Florida, EEUU. El modelo fue diseñado para evaluar el riesgo de un acuífero de agua potable por encima de la zona de inyección, donde los pozos de monitoreo han detectado al efluente. El análisis basado en el modeló se acomodó a la complejidad de los datos y geología, incluyendo la presencia observada del efluente en los pozos de monitoreo superiores, pero no en los pozos de monitoreo inferiores, dando así la apariencia de que el efluente había eludido las capas geológicas. El enfoque del modelado incluyó la aplicación de metodologías múltiples para reducir los tiempos de corridas del modelo durante la estimación de los parámetros, mientras proporciona modelos detallados calibrados que pudieron ser usados para evaluar la capacidad potencial de diferentes mecanismos de migración del efluente. Los métodos incluyeron el uso de una ecuación semi-analítica para calcular rápidamente las concentraciones iniciales, la paralelización de las corridas del modelo sobre procesadores múltiples durante el calibrado, y la utilización de los conceptos de descomposición del valor singular y la regularización de Tikhonov para ajustar un nivel alto de la complejidad de parametrización. Los resultados revelaron que la migración vertical del efluente podría ocurrir como flujo difuso a través de unidades confinantes heterogéneas; sin embargo, el flujo a través de una trayectoria canalizada provocado por una pobre construcción de la perforación parece ser más probable.建立了一个多参数变密度地下水流和溶质运移模型, 用来验证注入美国弗洛里达州沿海咸水层的已处理废水向上运动的多种假设。该模型的设计目的是对注水区上面的饮用水含水层作风险评价, 在该处监测井已经发现了污水。以模型为基础进行的分析考虑到了地质条件和数据的复杂性, 包括上层观测井污水的存在, 但是下层并不存在污水, 因此看起来是污水绕过了地层。模型中应用了多种方法以减少参数估计的运行时间, 同时给出了详细的校准模型, 能够用来评价不同污水的运移机理。使用的方法中包含了半解析方程用来快速计算初始浓度, 识别过程中在多处理器基础上运用了并行计算, 并利用了奇异值分解和Tikhonov正交化的概念, 以适应多参数的复杂性。结果表明, 污染物垂向运移可以在非均质承压含水层单元中以扩散流的形式存在; 然而, 在由不良钻孔建设导致的渠道中流动似乎更有可能。Um modelo de escoamento e transporte de massa multiparametrizado e de densidade variável foi desenvolvido em águas subterrâneas, para testar hipóteses múltiplas de movimentos ascendentes de águas residuais tratadas (efluentes) injectadas num aquífero costeiro salinizado no sudeste da Florida, EUA. O modelo foi desenvolvido para caracterizar o risco para a água de um aquífero destinado ao abastecimento, acima da zona de injecção, onde se detectaram efluentes em furos de monitorização. O modelo permite a consideração de dados geológicos e hidrogeológicos complexos, incluindo a presença confirmada de efluentes nos furos de observação do aquífero superior, mas não nos furos de observação mais profundos, dando a impressão que o efluente ultrapassou diversos estratos geológicos. Na afinação do modelo incluiu-se a aplicação de múltiplas metodologias para reduzir tempos de cálculo durante a fase de estimação dos parâmetros, conseguindo-se calibrações que podem servir para aferir as capacidades potenciais das diferentes formas de cálculo de migração dos poluentes. Os métodos incluem a utilização de uma equação semi-analítica para permitir o cálculo das concentrações iniciais de forma rápida, a paralelização do modelo em múltiplos processadores durante a calibração, e a utilização dos conceitos da decomposição singular de valor (singular value decomposition) e da regularização de Tikhonov para acomodar um alto nível de complexidade na parametrização. Os resultados revelaram que pode acontecer a migração vertical do efluente como fluxo difusivo através de limites confinantes heterogéneos; contudo, o escoamento canalizado através de caminhos preferenciais causados pela construção defeituosa de furos parece ser a causa mais provável. |
