Evaluation of LNAPL distribution and mobility in heterogeneous porous media under water table fluctuations

Abstract

This research is focused on examining LNAPL distribution and mobility in heterogeneous porous media under the effect of water table fluctuations. Although it has been recognised that the potentiometric surface (Zaw) changes may play a crucial role on LNAPL transmissivity (Tn), the related field based published work that has directly address it is limited and provides little insight regarding the impact of geological heterogeneity and complex NAPL distributions. This research work encompasses field studies in a heterogeneous gasoline contaminated site that presents seasonal water table fluctuations of 2 - 3 m. LNAPL distribution and hydrogeological conditions were evaluated using diagnostic gauge plots, hydrostratigraphs, contaminant concentrations in cores, high resolution characterisation methods, LDRM simulations and baildown testing. Tn was evaluated using bail-down testing during both seasonal water table fluctuations and during induced hydraulic conditions (skimming, water-enhanced skimming, vacuum-enhanced skimming and water- and vacuum-enhanced skimming). Collectively these tools and approaches have given useful insight into NAPL distribution and mobility under both natural and induced hydraulic conditions during seasonal changes and mass recovery applications. Results indicated that the NAPL hydrogeological conditions were related to the behavior of Zaw and both confined and unconfined conditions can be found in the same well seasonally. Additionally, in heterogeneous settings the stratigraphy may override typical smearing patterns related to homogeneous systems. Tn ranged from 0.03 m2/day to 2.13 m2/day under unconfined LNAPL conditions, exhibiting a strong spatial variability. An inverse relationship between the Zaw and Tn was found under natural conditions. The area with a wider NAPL distribution and higher NAPL saturations was less sensitive to changes in Zaw during the skimming trials. The calculated Tn values from bail-down and skimming testing were in a close agreement and showed similar trends in most of the situations (less than a factor of 2 difference). However, in areas with narrow NAPL distribution and low NAPL saturations the discrepancy between both methods presented clearly higher differences (by a factor up to 7.3) and was related to Zaw. Under stable Zaw, Tn was found to be a relatively reliable metric for LNAPL recoverability. In contrast, variable water table conditions affected the evolution of Tn. Consequently, remediation practitioners, researchers and regulators should account for the nexus between Tn, LNAPL distribution, geological setting and temporal effects for a more efficient management of NAPL contaminated sites.

Η συγκεκριμένη έρευνα επικεντρώνεται στην εξέταση της κατανομής και της κινητικότητας του LNAPL σε ετερογενή πορώδη μέσα υπό την επίδραση των διακυμάνσεων του υδροφόρου ορίζοντα. Αν και έχει αναγνωριστεί ότι οι αλλαγές της ποτενσιομετρικής επιφάνειας (Zaw) μπορεί να διαδραματίσουν κρίσιμο ρόλο στη μεταβιβαστικότητα του LNAPL (Tn), σχετικές δημοσιευμένες εργασίες πεδίου είναι περιορισμένες και παρέχεται ελάχιστη εικόνα σχετικά με τον αντίκτυπο της γεωλογικής ετερογένειας και της πολύπλοκης κατανομής NAPL. Αυτή η ερευνητική εργασία περιλαμβάνει μελέτες πεδίου σε μια ετερογενή περιοχή ρυπασμένη με βενζίνη που παρουσιάζει εποχιακές διακυμάνσεις του υδροφόρου ορίζοντα 2 - 3 m. Η κατανομή του LNAPL και οι υδρογεωλογικές συνθήκες αξιολογήθηκαν χρησιμοποιώντας διαγράμματα διαγνωστικού μετρητή, υδροστρωματογραφίες, συγκεντρώσεις ρύπων στους γεωλογικούς πυρήνες, μεθόδους χαρακτηρισμού υψηλής ανάλυσης, προσομοιώσεις LDRM και δοκιμές baildown. Το Tn αξιολογήθηκε με τη χρήση δοκιμών bail-down τόσο κατά τις εποχιακές διακυμάνσεις του υδροφόρου ορίζοντα όσο και κατά τη διάρκεια των διαφόρων υδραυλικών συνθηκών/τεχνολογιών (skimming, water-enhanced skimming, vacuum-enhanced skimming and water- and vacuum-enhanced skimming).Συλλογικά αυτά τα εργαλεία και οι προσεγγίσεις έχουν δώσει χρήσιμες πληροφορίες για τη διανομή και την κινητικότητα του NAPL τόσο σε φυσικές όσο και σε τεχνητές υδραυλικές συνθήκες κατά τις εποχιακές αλλαγές και τις εφαρμογές μαζικής ανάκτησης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι υδρογεωλογικές συνθήκες του NAPL σχετίζονταν με τη συμπεριφορά του Zaw και τόσο περιορισμένες όσο και μη περιορισμένες υδρογεωλογικές συνθήκες μπορούν να βρεθούν στην ίδια γεώτρηση εποχιακά. Επιπλέον, σε ετερογενείς θέσεις η στρωματογραφία μπορεί να υπερισχύσει των τυπικών μοτίβων κηλίδων που σχετίζονται με ομοιογενή συστήματα. Το Tn κυμαινόταν από 0,03 m2/ημέρα έως 2,13 m2/ημέρα υπό μη πεπιεσμένες συνθήκες LNAPL, παρουσιάζοντας έντονη χωρική μεταβλητότητα. Μια αντίστροφη σχέση μεταξύ του Zaw και του Tn βρέθηκε υπό φυσικές συνθήκες. Η περιοχή με ευρύτερη κατανομή NAPL και υψηλότερους κορεσμούς NAPL ήταν λιγότερο ευαίσθητη στις αλλαγές στο Zaw κατά τη διάρκεια των δοκιμών skimming. Οι υπολογισμένες τιμές Tn από τις δοκιμές bail-down και skimming ήταν σε στενή συμφωνία και έδειξαν παρόμοιες τάσεις στις περισσότερες περιπτώσεις. Ωστόσο, σε περιοχές με στενή κατανομή NAPL και χαμηλούς κορεσμούς NAPL, η απόκλιση μεταξύ των δύο μεθόδων παρουσίασε σαφώς υψηλότερες διαφορές και σχετιζόταν με το Zaw. Κάτω από το σταθερό Zaw, το Tn βρέθηκε να είναι μια σχετικά αξιόπιστη μέτρηση για την ανάκτηση LNAPL. Αντίθετα, οι μεταβλητές συνθήκες του υδροφόρου ορίζοντα επηρέασαν την εξέλιξη του Tn. Κατά συνέπεια, οι επαγγελματίες εξυγίανσης, οι ερευνητές και οι νομοθέτες θα πρέπει να λάβουν υπόψη τη σχέση μεταξύ Tn, κατανομής LNAPL, γεωλογικής κατάστασης και χρονικών επιπτώσεων για μια πιο αποτελεσματική διαχείριση των ρυπασμένων περιοχών από το NAPL.