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ijege-13_02-sbarbati-et-alii.pdf

background image
55
Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2013)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
DOI: 10.4408/IJEGE.2013-02.O-04
C
hiara
SBARBATI
(*)
, N
iColò
COLOMBANI
(*)
, M
iCòl
MASTROCICCO
(**)
& M
arCo
PETITTA
(*)
(*)
Sapienza Università di Roma - Dipartimento di Scienze della Terra - P.Le Aldo Moro 5 - 00185 Roma (Italy)
(**)
Università di Ferrara - Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra - Via Saragat 1 - 44122 Ferrara (Italy)
E-mail: chiara.sbarbati@uniroma1.it - Phone:+39/0649694238 fax:+39/064454729
VALIDAZIONE DI UN MODELLO DI TRASPORTO DENSITÀ DIPENDENTE
ATTRAVERSO L’USO DEL MASS RECOVERY RATE
VALIDATION OF A DENSITY DEPENDENT GROUNDWATER
TRANSPORT MODEL USING MASS RECOVERY RATE
RIASSUNTO
In questa nota breve viene descritto il processo di validazione di
un modello di trasporto densità dipendente, precedentemente realizza-
to e pubblicato, attraverso l’utilizzo del Mass Recovery Rate, ossia il
tasso di massa recuperata da 67 pozzi in pompaggio del Totale degli
Idrocarburi e dei Cloruri disciolti in acqua, in un sito contaminato. La
buona correlazione tra dati osservati e calcolati conferma la fattibilità
di processi di validazione di modelli di flusso e trasporto sviluppati per
siti contaminati, dove la bonifica avviene per mezzo di sistemi pump &
treat, che necessitano quindi di strategie di gestione rapide e affidabili.
P
arole
chiave
: modelli numerici; validazione; acque sotterranee, trasporto
di contaminanti
INTRODUZIONE
In questa nota breve si vuole discutere il processo di validazione di
un modello di trasporto densità dipendente la cui realizzazione e calibra-
zione è stata precedentemente pubblicata (M
astroCiCCo
et alii, 2012).
Il parametro utilizzato per la validazione è il Mass Recovery Rate
(MRR) riferito al Totale degli Idrocarburi (TPH) e dei Cloruri (Cl
-
)
disciolti in acqua, calcolato per ogni pozzo in emungimento facente
parte del sistema di bonifica del sito.
I modelli di flusso e trasporto sono uno degli strumenti più impor-
tanti, al fine di rappresentare e comprendere i processi che avvengo-
no all’interno di un acquifero (P
roMMer
et alii, 2000). Per realizzare
modelli numerici realistici, è necessaria l’acquisizione di molti dati di
campagna e la calibrazione di questi modelli diventa tanto più difficol-
tosa quanti più sono i parametri considerati. Il processo di validazione
è l’ultima fase per completare un modello numerico; molti autori in
letteratura (K
oNiKow
& B
redehoeft
, 1992; o
resKes
et alii, 1994; r
efs
-
gaard
& h
eNriKseN
, 2004) hanno trattato questo argomento esponendo
differenti opinioni e definizioni. In generale, la validazione può essere
definita come il processo di simulazione di un dato sistema in cui al-
meno uno dei parametri non è stato usato per la calibrazione (i
llMaN
et alii, 2010); inoltre, durante il processo di validazione, il set di dati
deve rimanere lo stesso che viene usato per la calibrazione (r
efsgaard
,
1997). Ad ogni modo il processo di validazione non è facile da realizza-
re ed un modello può considerarsi validato quando “possiede un range
ABSTRACT
In this short note is described the validation process of a density
dependent groundwater transport model, previously implemented and
published, using the mass recovery rate of dissolved Total Petroleum
Hydrocarbons and Chloride from 67 pumping wells in a polluted site.
A good fit between observed and calculated values was recorded,
supporting the feasibility of flow and transport models validation in
complex polluted sites where pump & treat remediation are applied
and management strategies need to be rapid and robust.
K
ey
words
: numerical model; validation; groundwater; pollutants transport
INTRODUCTION
The aim of this short note is to discuss the validation process of a
density dependent groundwater transport model previously published
in this journal (M
astroCiCCo
et alii, 2012).
The parameter used for validation is the Mass Recovery Rate
(MRR) of Total Petroleum Hydrocarbons (TPH) and chloride (Cl
-
),
calculated from each pumping wells of the remediation system.
Groundwater flow and transport models are one of the most im-
portant tools used to understand and represent the processes that
take place in aquifers (P
roMMer
et alii, 2000). To build realistic
numerical models, a large amount of field data are required and the
calibration become more challenging as more are the parameters
considered. The validation process is the last step to complete a
numerical model; in literature many authors (K
oNiKow
& B
rede
-
hoeft
, 1992; o
resKes
et alii, 1994; r
efsgaard
& h
eNriKseN
, 2004)
discussed about this topic, offering different opinions and defini-
tions. In general, model validation can be defined as the simulation
of a given system in which at least one of the parameters is not used
for calibration (i
llMaN
et alii, 2010); in addition the data set for
the validation process must remain the same used for calibration
(r
efsgaard
, 1997). However, the validation process is not easy to
realize and a model can be considered validate when it “possesses a
satisfactory range of accuracy consistent with the intended applica-
tion of the model
” (r
efsgaard
& h
eNriKseN
, 2004).
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VALIDAZIONE DI UN MODELLO DI TRASPORTO DENSITÀ DIPENDENTE ATTRAVERSO L’USO DEL MASS RECOVERY RATE
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C. SBARBATI, N. COLOMBANI, M. MASTROCICCO & M. PETITTA
MATERIALS AND METHODS
The groundwater flow and transport model used for the valida-
tion process is SEAWAT 4.0 (l
aNgeviN
et alii, 2007), the same
model adopted in M
astroCiCCo
et alii (2012). At the study site the
water table is monthly monitored in 250 piezometers, while TPH
and Cl
-
are monitored in groundwater twice a year in piezometers
and pumping wells. All geological, hydrogeological and hydro-
chemical parameters for both flow and transport are the same of the
previous simulation, related to August 2010; except by the package
used to simulate the concentration distribution of dissolved TPH.
The source zone of TPH is currently simulated by the Mass Load-
ing Rate (MLR) package, usually used for specifying the concen-
tration of point or spatially distributed sources of fluids into the
groundwater system (C
hiaNg
& K
iNzelBaCh
, 1998). This package
has been adopted to avoid numerical errors caused by unrealis-
tic “sorption” of cells having constant concentration of dissolved
TPH, when the dissolved plume shows concentration values higher
than the source zone.
The areal extension of the LNAPL pools coincides with the
previous model (Fig. 1) and the MLR has been assigned where
LNAPL free phase has been found during the sampling survey;
the daily dissolved rate is assumed 10 or 1 g of TPH/day, to simu-
late the range of concentration values observed in the monitoring
wells. Even in this new simulation, Cl
-
is used as environmental
tracer, with the same input concentration distribution of the cali-
brated model.
The MRR is the parameter, not considered in the calibration proc-
ess, used for the validation of the model. The MRR, expressed in
kg/d, is calculated by the formula:
di accuratezza” che sia congruente con l’applicabilità del modello
(r
efsgaard
& h
eNriKseN
, 2004).
MATERIALI E METODI
Il modello di flusso e trasporto utilizzato per il processo di valida-
zione è stato realizzato con SEAWAT 4.0 (l
aNgeviN
et alii, 2007) ed è
lo stesso modello precedentemente descritto nell’articolo di M
astro
-
CiCCo
et alii (2012). Nel sito in esame il livello di falda viene mensil-
mente monitorato in 250 piezometri, mentre le concentrazioni di TPH e
Cl
-
vengono analizzate due volte l’anno, sia nei piezometri che nei poz-
zi in emungimento. I parametri geologici, idrogeologici ed idrochimici
utilizzati per i modelli di flusso e trasporto sono gli stessi della prima
simulazione, riferita ad agosto 2010; l’unico cambiamento apportato
riguarda il pacchetto scelto per simulare la distribuzione di concentra-
zione di TPH disciolto. In questa nuova simulazione, infatti, la zona
sorgente di TPH è rappresentata attraverso il pacchetto Mass Loading
Rate (MLR), generalmente utilizzato per simulare sorgenti puntuali o
areali di fluidi in acquiferi (C
hiaNg
& K
iNzelBaCh
, 1998).
Il pacchetto Mass Loading Rate è stato scelto per minimizzare gli
errori numerici causati da un non realistico processo di “sorption” da
parte di celle a concentrazione costante le quali possono assorbire il
contaminante disciolto che vi fluisce attraverso nel caso in cui il plume
disciolto abbia concentrazione maggiore della sorgente LNAPL.
L’estensione areale della distribuzione di LNAPL coincide con
quella del precedente modello (Fig. 1) e il MLR viene assegnato alle
celle in corrispondenza delle quali è stato rilevato, durante le campagne
di misura, prodotto in fase separata; la massa di TPH che si discioglie
giornalmente in queste celle è di 10 g/giorno o di 1 g/giorno, al fine di
ottenere delle concentrazioni disciolte pari alle concentrazioni osserva-
te nei piezometri con surnatante. Anche in questa nuova simulazione lo
ione cloruro viene usato come tracciante ambientale, e le concentrazio-
ni di input sono le stesse della precedente simulazione.
Fig. 1 - Rappresentazione schematica del sito: posizione dei piezometri di monitoraggio (cerchi neri), multilivello (croci nere), pozzi in pompaggio (triangoli rossi),
barriera idraulica (linee rosse), estensione area LNAPL (area tratteggiata rossa agosto 2010, area puntinata rossa agosto 2002) da M
astroCiCCo
et alii, 2012
- Schematic representation of the site: location of monitoring piezometers (black circles), MLS (black crosses), pumping wells (red triangles), HFB (red
lines), LNAPL pools (red shaded areas in August 2010, red dotted areas in August 2002) from M
astrocicco
et alii, 2012
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VALIDATION OF A DENSITY DEPENDENT GROUNDWATER TRANSPORT MODEL USING MASS RECOVERY RATE
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2013)
© Sapienza Università Editrice
www.ijege.uniroma1.it
Il parametro di MRR, non incluso nel processo di calibrazione,
è stato utilizzato per la validazione del modello. Questo parametro è
espresso in kg/g ed è calcolato attraverso la formula:
dove C
i
è la concentrazione delle specie disciolte (mg/l) integrata lun-
go tutto il tratto filtrato (z) e Q è la portata del singolo pozzo facente
parte del sistema di bonifica. Il risultato ottenuto è espresso in kg/g di
massa di TPH disciolto recuperata.
In questo contesto i 67 pozzi della barriera idraulica possono essere
considerati come il sistema di controllo di un “Integral Pumping Test”
(g
zyl
et alii, 2011), che sia perpendicolare alla direzione del flusso ed
in cui le zone di cattura dei pozzi in pompaggio sono coalescenti tra loro
(h
erold
et alii, 2009). Il grado di correlazione è stato valutato attraverso
il coefficiente di regressione lineare (R
2
) e attraverso il coefficiente di
efficienza del modello (E), definito da N
ash
& s
utCliffe
(1970).
RISULTATI E DISCUSSIONE
Considerato il buon valore di correlazione tra valori misurati e
calcolati (R
2
=
0.93), ottenuto dalle simulazioni di flusso mensili, la
Fig. 1 mostra che il modello, anche utilizzando un differente pacchet-
to per la simulazione delle sorgenti di concentrazione, è in grado di
simulare in modo soddisfacente la concentrazione e la massa di en-
trambe le specie disciolte. Infatti, il valore di R
2
tra valori di concen-
trazione calcolati e osservati è di 0.93 per il TPH e di 0.91 per il Cl
-
;
di conseguenza anche i valori di MRR sono ben correlati con valori di
R
2
di 0.94 e 0.89, rispettivamente per TPH e Cl
-
, e valori di E di 0.91
per TPH e 0.87 per il cloruro. Gli elevati valori dei due indicatori sta-
tistici selezionati confermano la robustezza del modello concettuale.
Per quanto riguarda il TPH, gli alti valori di massa recuperata che
caratterizzano alcuni pozzi possono essere dovuti alla presenza di trac-
ce di LNAPL richiamate dai pozzi, le quali influenzano notevolmente i
valori di concentrazione osservata, facendo quindi registrare questi alti
valori di massa recuperata. Infatti queste anomale concentrazioni si
possono riscontrare solo quando piccole gocce di NAPL sono presenti
nei campioni d’acqua, portando la concentrazione a valori prossimi o
addirittura superiori all’effettiva solubilità del prodotto.
Questa situazione è limitata a pochi punti di misura che rap-
presentano meno del 10% del sistema in pompaggio (Fig. 2, valori
maggiori di 4 kg/giorno). Per simulare questi particolari risultati,
è stato necessario estendere la presenza di LNAPL non solo al la-
yer superficiale, ma anche lungo la verticale quasi fino alla fine del
tratto filtrato. Ciò ha permesso di simulare al meglio il MRR non
influenzando, allo stesso tempo, l’evoluzione del plume di TPH che
rimane calibrato sui valori di concentrazione osservati. Il valore
della massa di TPH disciolto recuperata calcolata dal modello è di
48.3 kg/g ed è stata comparata con il valore osservato di 46.1 kg/g,
ottenuto moltiplicando i valori di concentrazione per la portata di
ogni pozzo. Questo risultato conferma l’accuratezza del processo
where C
i
is the concentration of the dissolved species (mg/l) (both
observed or calculated) integrated over the depth of the well
screen (z) and Q is the pumping rate of each pumping well of the
remediation system. The obtained results are expressed in kg/day
of recovered TPH.
In this context the 67 wells of the hydraulic barrier can be consid-
ered like an “Integral Pumping Test control plane” (g
zyl
et alii, 2011)
perpendicular to the main groundwater flow direction, with coalescent
capture zones (h
erold
et alii, 2009). The goodness of the model fit was
evaluated using both the linear regression coefficient (R
2
) and the model
efficiency coefficient (E), defined by N
ash
& s
utCliffe
(1970).
RESULTS AND DISCUSSION
Beside a nearly constant monthly R
2
between calculated and ob-
served heads of 0.93 (not shown); Fig. 1 shows that the model, even us-
ing a different concentration package, is able to satisfactorily simulate
the concentration and mass for both the dissolved species taken into
account. In fact, the R
2
between observed and calculated concentrations
is 0.93 for dissolved TPH and 0.91 for Cl
-
. Consequently, also the MRR
values are positively related, showing an R
2
of 0.94 and 0.89 respec-
tively for TPH and Cl
-
with E value of 0.91 and 0.87, respectively. The
elevated values of the selected statistical indicators confirm the robust-
ness of the conceptual model.
About TPH correlation, the high values of recovery mass char-
acterizing few pumping wells, can be attributed to the presence of
some traces of LNAPL pumped by the wells that seriously affect the
observed concentrations respect with the real dissolved concentration
of the aquifer, leading to very high value of the total recovered mass
recovered. In fact, these anomalous concentration values can be only
recorded when small droplets of NAPL are present in the groundwater
samples, causing concentration values close or even beyond to the ef-
fective solubility.
This situation is limited to few wells that represent less than 10%
of the pumping system (values higher than 4 kg/day of calculated TPH
mass in Fig. 2). To simulate these results, it was necessary to extend
the presence of LNAPL not only in the upper layer but downward near
the bottom of the well screen, only for the above mentioned well cells.
This modification allowed to better simulate the MRR and, at the
same time, did not lead to significant differences in the TPH plume
evolution, which remained calibrated on the observed concentration
values. The total recovery mass of dissolved TPH calculated by the
model is 48.3 kg/day compared with the observed one of 46.1 kg/day,
obtained multiplying the concentration values by the pumping rate.
This result confirms the accuracy of the calibration and also allows to
MRR
=
(
C
i
* Q
)
d
z
(1)
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VALIDAZIONE DI UN MODELLO DI TRASPORTO DENSITÀ DIPENDENTE ATTRAVERSO L’USO DEL MASS RECOVERY RATE
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C. SBARBATI, N. COLOMBANI, M. MASTROCICCO & M. PETITTA
di calibrazione e permette inoltre di validare il modello di trasporto
precedentemente realizzato. Per quanto riguarda il Cl
-
, la validazio-
ne conferma l’esistenza di due sorgenti: una posizionata in corri-
spondenza del lato Sud del modello dovuta all’intrusione salina, e
l’altra invece localizzata sul lato Nord-Est del modello.
CONCLUSIONI
Al fine di validare un modello di trasporto densità dipendente,
precedentemente calibrato (M
astroCiCCo
et alii, 2012), è stata effet-
tuata una simulazione basata sul parametro MRR dei TPH e Cl
-
di-
sciolti usando i dati riferiti a 67 pozzi in pompaggio all’interno di un
sito contaminato.
La correlazione tra dati di concentrazione osservati e calcolati è
risultata buona e di conseguenza anche i valori di MRR hanno mo-
strato la stessa positiva correlazione, sia per i TPH che per i Cl
-
.
Questa nota breve avvalora la fattibilità del processo di valida-
zione per modelli di trasporto di inquinanti disciolti, realizzati per siti
contaminati caratterizzati dalla presenza di barriere idrauliche, attra-
verso il confronto tra la massa di contaminante recuperata dai pozzi
in pompaggio osservata e quella calcolata dal modello. Nel presente
caso di studio la validazione è stata ottenuta sia per i contaminanti
disciolti (TPH) che per i traccianti ambientali (Cl
-
), evidenziando la
possibilità di considerare le barriere idrauliche come un integral pum-
ping test realizzato alla scala di sito.
validate the proposed groundwater transport model.
Concerning the Cl
-
, the validation confirms the existence of two
sources: one due to seawater intrusion along the Southern bound-
ary of the model, and a second one located on the North-Eastern
corner of the model.
CONCLUSIONS
To validate a density dependent groundwater transport model pre-
viously calibrated (M
astroCiCCo
et alii, 2012), a simulation based on
the MRR considering dissolved TPH and Cl
-
has been implemented
using data of 67 pumping wells in a polluted site.
A good fit between observed and calculated values of concentra-
tion was recorded. Consequently the MRR showed the same positive
correlation for TPH and for Cl
-
.
This note corroborates the feasibility of validation process related
to forward transport model of dissolved contaminants in polluted
sites having active hydraulic barrier, by comparing the total mass of
compounds recovered by pumping wells, with the simulated one. In
the case study the validation has been obtained for dissolved contami-
nants (TPH) and environmental tracers (Cl
-
), testifying the possibility
to consider the hydraulic barrier as an integral pumping test.
Fig. 2 - Diagrammi di confronto tra valori calco-
lati e osservati per le concentrazioni (in
alto) e per il MRR (in basso), rappresen-
tanti rispettivamente il Cl
-
(sinistra) e il
TPH (destra)
- Scatter plots of calculated and observed
concentration (up) and MRR (down), re-
spectively for Cl
-
(left) and TPH (right)
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VALIDATION OF A DENSITY DEPENDENT GROUNDWATER TRANSPORT MODEL USING MASS RECOVERY RATE
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Italian Journal of Engineering Geology and Environment, 2 (2013)
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Received September 2013 - Accepted November 2013
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