Time-lapse monitoring of pollution by geoelectrical methods

Abstract

The thesis investigates how well the geoelectrical tomography technology works for tracking the diffusion of pollutants in the subsurface. The main objective is to provide a methodological approach for developing time-lapse geoelectrical imaging strategies for monitoring subsurface contamination. Particular focus is given to monitoring pollutants related to liquid waste from olive mills due to the significance of this pollution in the Greek region. Given the importance of collecting time-lapse measurements and their special processing in the monitoring process, the present study focuses on finding optimal ERT geometry, protocols, and processing schemes. In order to track the diffusion of contaminants in the subsurface, the thesis suggests an effective experimental setup using electrodes in boreholes and on the surface and a methodology for processing the time-lapse electrical tomography data. The approach was successfully tested using synthetic and experimental data from setups of different scales. The processing of varying measurement geometry parameters using synthetic data was explicitly examined. In addition, hydrogeological models were used to simulate contaminant diffusion in the subsurface. The simulations were then turned into 3D geoelectrical images to obtain synthetic time-lapse measurements to test the monitoring technique's capacity to measure contaminant diffusion velocity. The central monitoring test was conducted in a controlled environment (a one cubic meter simulation tank) involving a small-scale pollutant diffusion experiment using the proposed measurement geometry and protocols. The collected time-lapse ERT were processed, and the pollutant diffusion velocity was determined by analyzing the inverted time-lapse geoelectrical images. The process was then scaled up to perform measurements comparable to those in the tank experiment in a specially created outdoor test area, where the pollutant diffusion velocity was again calculated.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη της αποτελεσματικότητας της μεθοδολογίας της διαχρονικής γεωηλεκτρικής τομογραφίας για την παρακολούθηση στη μελέτη διάχυσης ρύπων στο υπέδαφος. Στόχος είναι η ανάπτυξη μεθοδολογιών ώστε να συνδεθεί ποιοτικά αλλά και ποσοτικά η διαχρονική γεωηλεκτρική εικόνα με την αποτύπωση ιδιαίτερων χαρακτηριστικών της υπεδάφιας ρύπανσης. Η μελέτη επικεντρώθηκε στη μελέτη ρύπων που προέρχονται από τα απόβλητα των ελαιοτριβείων λόγω της ιδιαίτερης σημασίας που έχει αυτού του τύπου η ρύπανση στον Ελληνικό χώρο. Με δεδομένη την ιδιαίτερη σημασία που έχουν στη διαδικασία παρακολούθησης τόσο ο τρόπος λήψης διαχρονικών μετρήσεων όσο και η επεξεργασία τους η παρούσα μελέτη επικεντρώθηκε στην εύρεση βέλτιστων συνδυασμών μετρήσεων και επεξεργασίας ώστε η παρακολούθηση της ρύπανσης να είναι πιο αποτελεσματική.Η διατριβή προτείνει μιας λειτουργική πειραματική διάταξη και μια διαδικασία επεξεργασίας διαχρονικών μετρήσεων ηλεκτρικής τομογραφίας με ηλεκτρόδια σε γεωτρήσεις αλλά και στην επιφάνεια για την παρακολούθηση της διάχυσης των ρύπων στο υπέδαφος. Η μεθοδολογία δοκιμάστηκε με επιτυχία σε διαφορετικές κλίμακες. Ειδικότερα μελετήθηκαν διάφορες παράμετροι της γεωμετρίας λήψης των μετρήσεων και της επεξεργασίας αυτών μέσω συνθετικών δεδομένων προσομοίωσης. Επίσης έγινε προσομοίωση διάχυσης ρύπου στο υπέδαφος με υδρογεωλογικά μοντέλα και έγινε μετατροπή των προσομοιωμάτων της ρύπανσης σε τρισδιάστατες γεωηλεκτρικές εικόνες για τη λήψη συνθετικών διαχρονικών γεωηλεκτρικών μετρήσεων και τον έλεγχο της δυνατότητας της μεθόδου παρακολούθησης να μετρήσει την ταχύτητα διάχυσης του ρύπου. Ακολούθησε η λήψη και ειδική επεξεργασία διαχρονικών γεωηλεκτρικών δεδομένων σε απόλυτα ελεγχόμενο περιβάλλον (δεξαμενή προσομοίωσης 1 m³) με διάχυση ρύπου σε μικρή κλίμακα για την οποία υπολογίστηκε η ταχύτητα διάχυσης του ρύπου.Τέλος έγινε μεταφορά όλης της μεθοδολογίας σε μεγαλύτερη κλίμακα για την εκτέλεση παρόμοιων με το βασικό πείραμα μετρήσεων σε έναν ειδικά διαμορφωμένο εξωτερικό χώρο δοκιμών όπου και πάλι υπολογίστηκε η ταχύτητα διάχυσης του ρύπου.