Experimental investigations on transverse dispersive mixing in heterogeneous porous media

Abstract

Transverse mixing has been identified to be a controlling factor in natural attenuation of extended biodegradable plumes originating from continuously emitting sources in the subsurface. The heterogeneity of natural formations causes both spreading and mixing such plumes with oxidants from the ambient groundwater. Out of these two processes, it is only the transverse mixing with oxidants from the ambient groundwater that facilitates degradation. This thesis offers a promising approach to the characterization and quantification of transverse dispersion coefficients in heterogeneous porous media. The aim is to deepen the understanding of transverse dispersion and mixing in natural heterogeneous porous media. Particularly, I develop an experimental method to determine transverse dispersion coefficients. Then, I investigate to what extent the heterogeneity of natural porous media enhances transverse mixing. To this end, I conduct and evaluate conservative and reactive tracer tests in one-dimensional as well as quasi two-dimensional laboratory and technical scale sandboxes. The heterogeneous filling used in these experiments mimics natural sediments including a distribution of different hydro-facies and micro-structures within sand lenses. The effective dispersion coefficient which describes mixing and dilution excludes the spreading of plumes. Without knowledge of spreading and meandering, it is not possible to determine the transverse effective dispersion coefficient from concentration profiles in vertical cross-sections. In order to determine this coefficient from such profiles, I corrected for the effects of plume meandering. The vertical transverse dispersion coefficients I determined from the experiments are fairly small and depend on travel time. This is as expected from analytical expressions for the time-dependent effective dispersion coefficient based on stochastic linear theory. The values obtained are less than an order of magnitude larger than the effective molecular diffusion coefficient. For typical groundwater flow velocities, therefore, the velocity-independent contribution to transverse dispersion cannot be ignored. Analytical expressions for the transverse vertical macrodispersion coefficient, also based on stochastic linear theory, predict only a small increase towards the large-time limit. In my experiments, I found that there is no significant increase in the transverse dispersion coefficient with increasing travel distance. This indicates that the heterogeneity has hardly any impact on vertical transverse mixing. In general, my findings are in very good agreement with the results of stochastic linear theory.

Die Vermischung in transversaler Richtung wurde als kontrollierender Faktor des natürlichen Rückhaltevermögens für biologisch abbaubare Abstromfahnen aus kontinuierlichen Schadstoffquellen im Untergrund identifiziert. Die Heterogenität natürlicher Formationen führt sowohl zu Spreitung als auch zur Durchmischung solcher Abstromfahnen mit dem umgebenden Grundwasser verursacht. Von diesen beiden Prozessen ermöglicht jedoch ausschließlich die transversale Vermischung mit Oxidantien aus dem umgebenden Grundwasser den biologischen Abbau. Diese Dissertation bietet einen viel versprechenden Ansatz für die Charakterisierung und Quantifizierung transversaler Dispersionskoeffizienten in heterogenen porösen Medien. Dadurch soll das Verständnis transversaler Dispersion und transversaler Vermischung in natürlichen heterogenen porösen Medien vertieft werden. In dieser Arbeit wird insbesondere eine experimentelle Methode um transversale Dispersionskoeffizienten zu ermitteln entwickelt. Im Anschluss daran wird untersucht, in welchem Ausmaß die Heterogenität natürlicher poröser Medien die transversale Durchmischung fördert. Dafür wurden im Rahmen dieser Dissertation konservative und reaktive Tracerexperimente in eindimensionalen und zweidimensionalen Sandbehältern auf Laborskala und technischer Skala durchgeführt und ausgewertet. Die heterogenen Sandfüllungen in diesen Experimenten ahmen natürliche Sedimente nach, indem unterschiedliche Fazies und Mikrostrukturen innerhalb von Sandlinsen verwendet wurden. Der effektive Dispersionskoeffizient, welcher Vermischung und Verdünnung beschreibt, quantifiziert nicht die Spreitung und das Mäandrieren von Abstomfahnen. Ohne Kenntnis von Spreitung und Mäandrieren ist es unmöglich, den transversalen effektiven Dispersionskoeffizienten aus vertikalen Konzentrationsprofilen zu erhalten. Um diesen Koeffizienten mit Hilfe derartiger Profile bestimmen zu können, werden hier eine Korrektur um die Effekte des Mäandrierens und der Spreitung durchgeführt. Die transversalen Dispersionskoeffizienten aus diesen Experimenten sind relativ klein und hängen von der Fließzeit ab. Dies deckt sich mit Erwartungen aus analytischen Ausdrücken für den fließzeitabhängigen effektiven Dispersionskoeffizienten die auf stochastischen linearen Überlegungen basieren. Die Werte sind weniger als eine Größenordnung höher als der effektive molekulare Diffusionskoeffizient. Für typische Fließgeschwindigkeiten im Grundwasser kann daher der geschwindigkeitsunabhängige Beitrag zur transversalen Dispersion nicht vernachlässigt werden. Analytische Ausdrücke für den transversalen vertikalen Makrodispersionskoeffizienten, ebenfalls auf stochastischen linearen Theorien begründet, sagen einen lediglich geringen Anstieg auf einen Grenzwert für sehr späte Zeit hin voraus. In den hier durchgeführten Experimenten konnte kein signifikanter Anstieg des transversalen Dispersionskoeffizienten mit zunehmender Fließzeit nachgewiesen werden. Dies weist darauf hin, dass Heterogenität kaum einen Einfluss auf vertikale transversale Durchmischung hat.