Experimental investigations on longitudinal dispersive mixing in heterogeneous aquifers

Abstract

Reactive mixing of compounds in porous media is a topic of current research interest because accurate estimation of reaction rates are crucial in planning aquifer remediation methods. It is suggested that relative parameters for dilution are better quantities to estimate reaction rates than the generally used classical macrodispersion coefficients. Most of the concepts developed in the field of reactive mixing are based on theoretical and numerical studies, and have not been experimentally tested. In this thesis, reactive mixing experiments are carried out in two different setups and the applicability of some of the existing numerical and theoretical studies to the observed data is tested. Two types of experimental setups - a homogeneously packed one-dimensional column setup and a heterogeneously packed two-dimensional sandbox setup - are used in the study. The column is 2m long with an inner diameter of 10cm, while the sandbox has dimensions 14m x 0.5m x 0.13m. Silica sand is used to fill both setups. The heterogeneity in the sandbox resembles the sedimentation pattern in nature. A conservative test and a reactive test each is conducted in both setups. Fluorescein is used as both the conservative and the reactive tracer. Dilution coefficients are estimated from the temporal moments of the conservative breakthrough curves obtained within in the porous media. Fiber optic fluorometry is used as the point measurement system. The measurement tip of the optic fiber probes has a diameter of 2.5mm. Reactive mixing in the porous media is predicted from the dilution coefficients estimated from the conservative tests, and is compared with the actual reactive mixing from the reactive tests. I conclude that point-like measurements provide reliable information of dilution and mixing in porous media, and therefore are effective enough in predicting product formation, provided sorption parameters are effectively quantified. I found that regions with large contrast in hydraulic conductivity give opportunity to enhanced mixing. Considering the typical length scales of the heterogeneities, the experimental findings are qualitatively in agreement with the linear stochastic theory.

Die reaktive Durchmischung von gelösten Stoffen in porösen Medien ist als Forschungsthema von aktuellem Interesse, weil der akkuraten Abschätzung effektiver Reaktionsraten eine zentrale Rolle in der Planung und Auslegung von Grundwassersanierungsmaßnahmen zukommt. In der Literatur wird vielerorts vorgeschlagen, dass relative Parameter für die Verdünnung bessere Handhabe für die Abschätzung von Reaktionsraten bieten als die im Allgemeinen verwendeten klassischen Makrodispersionskoeffizienten. Die meisten Konzepte, die im Bereich der reaktiven Durchmischung entwickelt wurden, basieren auf theoretischen oder numerischen Studien und sind bislang nicht experimentell verifiziert worden. In dieser Dissertation werden Versuche zur reaktiven Durchmischung in zwei verschiedenen Versuchsaufbauten durchgeführt. Darauf aufbauend wird die Anwendbarkeit einiger bereits existierenden numerischen und theoretischen Studien auf die experimentellen Befunde untersucht. Bei den zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten handelt es sich einerseits um eine homogen mit Quarzsand befüllte Säule für eindimensionale Versuche und andererseits um einen heterogen mit Quarzsand befüllten Versuchsbehälter für zweidimensionale Versuche. Die Säule ist 2m lang mit einem Innendurchmesser von 10cm, während der Versuchsbehälter deutlich größere Abmessungen von 14m x 0.5m x 0.13m (LxBxH) aufweist. Die heterogene Befüllung des Versuchsbehälters spiegelt natürliche Sedimentationsmuster wider. In beiden Aufbauten wurden jeweils ein konservativer und ein reaktiver Tracerversuch durchgeführt, wobei Fluorescein sowohl als konservativer als auch as reaktiver Tracer eingesetzt wurde. Zur Messung der Tracerkonzentration an einzelnen Punkten wurde Glasfaserfluometrie eingesetzt. Die Spitzen der Glasfasersonden haben einen Durchmesser von 2,5mm. Aus den zeitlichen Momenten der gemessenen Durchbruchskurven des konservativen Tracers wurden apparente Verdünnungskoeffizienten bestimmt. Daraufhin wird die reaktive Durchmischung in den porösen Medien mit Hilfe der apparenten Verdünnungskoeffizienten vorhergesagt und anschließend mit der tatsächlich in den reaktiven Tracerversuchen beobachteten reaktiven Durchmischung verglichen. Der Vergleich kam zu positiven Ergebnissen. Es lässt sich die Schlussfolgerung ziehen, dass punktartige Messungen von Konzentrationen verlässliche Informationen bezüglich der Verdünnung und Durchmischung von gelösten Stoffen in porösen Medien bieten. Daher sind sie hinreichend, um effektive Reaktionsraten und Konzentrationen von Reaktionsprodukte vorherzusagen. Dies unterliegt jedoch der Einschränkung, dass mögliche Sorptionsprozesse ausreichend quantifiziert werden können. Es wird gezeigt, dass Bereiche mit stark ausgeprägten Kontrasten der hydraulischen Leitfähigkeit eine stärkere Durchmischung fördern. Unter Berücksichtigung der charakteristischen Längenskalen der heterogenen Sandbefüllung stimmen die experimentellen Befunde mit den Vorhersagen der linearen stochastischen Dispersionstheorie überein.