Hydrogeology Journal | 2019
Modeling groundwater contaminant transport in the presence of large heterogeneity: a case study comparing MT3D and RWhet
Abstract
A case study is presented that implements two numerical models for simulating a 30-year pump-and-treat (PAT) operation conducted at a large contaminated site for which high-resolution data sets are available. A Markov chain based stochastic method is used to conditionally generate the realizations with random distribution of heterogeneity for the Tucson International Airport Area (TIAA) federal Superfund site in the USA. The fields were conditioned to data collected for 245 boreholes drilled at the site. Both MT3DMS and the advanced random-walk particle method (RWhet) were used to simulate the PAT-based mass removal process. The results show that both MT3DMS and RWhet represent the measured data reasonably, with root mean square error (RMSE) less than 0.03. The use of fine grids and the total-variation-diminishing method (TVD) limited the effects of numerical dispersion for MT3DMS. However, the effects of numerical dispersion were observed when compared to the simulations produced with RWhet using a larger number of particles, which provided more accurate results with RMSE diminishing from 0.027 to 0.024 to 0.020 for simulations with 1, 20, and 50 particles, respectively. The computational time increased with more particles used in the model, but was still much less than the time required for MT3DMS, which is an advantage of RWhet. By showing the results using both methods, this study provides guidance for simulating long-term PAT systems. This work will improve understanding of contaminant transport and plume persistence, and in turn will enhance site characterization and site management for contaminated sites with large plumes.RésuméLe cas d’étude présenté utilise deux modèles numériques pour simuler une opération de pompage et traitement (PAT) d’une durée de 30 ans réalisée sur un grand site contaminé pour lequel des jeux de données haute résolution sont disponibles. Les réalisations conditionnelles comprenant une distribution aléatoire de l’hétérogénéité sont générées avec une méthode stochastique basée sur une chaîne de Markov pour le site « Superfund » fédéral de la zone de l’aéroport international de Tucson (TIAA), aux Etats-Unis d’Amérique. Les champs des paramètres hydrodynamiques ont été conditionnés avec les données de 245 forages réalisés sur le site. MT3DMS et la méthode de marche aléatoire des particules (RWhet) ont tous deux été utilisés pour simuler le processus d’élimination du contaminant par PAT. Les résultats montrent que MT3DMS et RWhet représentent tous deux raisonnablement les données mesurées, avec une erreur quadratique moyenne (RMSE) inférieure à 0.03. L’utilisation de maillages fins et de la méthode de diminution de variation totale (TVD) limitent les effets de la dispersion numérique pour MT3DMS. Cependant, les effets de la dispersion numérique sont mis en évidence lorsque les résultats de MT3DMS sont comparés aux simulations produites avec RWhet en utilisant un grand nombre de particules, qui fournissent des résultats plus précis, avec une RMSE diminuant de 0.027 à 0.024 puis 0.020, pour des simulations avec respectivement 1, 20 puis 50 particules. Certes, le temps de calcul augmente avec le nombre de particules utilisé dans le modèle, mais il reste très inférieur au temps requis par MT3DMS, ce qui est un avantage de RWhet. En comparant les résultats des deux méthodes, cette étude fournit une orientation pour simuler à long terme les systèmes de PAT. Ce travail va améliorer la compréhension du transport des contaminants et de la persistance des panaches et, en retour, va améliorer la caractérisation et la gestion de site, pour les sites contaminés avec de grands panaches.ResumenSe presenta un estudio de caso que implementa dos modelos numéricos para simular una operación de 30 años de bombeo y tratamiento (PAT) realizada en un gran sitio contaminado para el cual se dispone de conjuntos de datos de alta resolución. Se utiliza un método estocástico basado en la cadena de Markov para generar condicionalmente las realizaciones con distribución aleatoria de heterogeneidad para el sitio del Superfund federal del Área del Aeropuerto Internacional de Tucson (TIAA) en los EEUU. Los campos fueron condicionados a los datos recolectados para 245 perforaciones ejecutadas en el sitio. Tanto el MT3DMS como el método avanzado de partículas aleatorias (RWhet) se utilizaron para simular el proceso de eliminación de masa basado en PAT. Los resultados muestran que tanto MT3DMS como RWhet representan los datos medidos de manera razonable, con un error cuadrático medio (RMSE) inferior a 0.03. El uso de grillas finas y el método de disminución de la variación total (TVD) limitaron los efectos de la dispersión numérica para MT3DMS. Sin embargo, los efectos de la dispersión numérica se observaron cuando se compararon con las simulaciones producidas con RWhet utilizando un mayor número de partículas, lo que proporcionó resultados más precisos con la disminución de RMSE de 0.027 a 0.024 a 0.020 para simulaciones con 1, 20 y 50 partículas, respectivamente. El tiempo de cómputo aumentó con más partículas utilizadas en el modelo, pero aún fue mucho menor que el tiempo requerido para MT3DMS, lo que es una ventaja de RWhet. Al mostrar los resultados utilizando ambos métodos, este estudio proporciona una guía para simular sistemas PAT a largo plazo. Este trabajo mejorará la comprensión del transporte de contaminantes y la persistencia de la pluma y, a su vez, mejorará la caracterización del sitio y la administración del sitio para sitios contaminados con grandes plumas.摘要本文介绍了两个数值模型模拟具有高分辨率数据集的一个大型污染场地的30年抽水和处理运行情况的研究案例。利用基于马尔科夫链的随机方法,有条件地对位于美国图森国际机场的联邦Superfund场地进行随机场的模拟。这一地区现场收集的245个钻孔数据被用于模型建立。MT3DMS和颗粒随机迁移方法(RWhet)被用于模拟抽水系统对污染物的移除过程。结果显示.MT3DMS and RWhet两种方法合理地呈现了测量的数据. 均方根误差不到0.03。由于小网格和总变差减少方法的使用对较大程度的削弱了MT3DMS中数值弥散对结果的影响。然而.当与采用较大数量的粒子的RWhet方法所得到的模拟结果比较时,可以观察到MT3DMS中数值弥散对结果的影响。这表明RWhet提供了更精确的结果,用颗粒数量分别为1、20和50 模拟时,均方根误差分别减少到0.027、0.024和0.020。模型中使用的颗粒数量增加,计算成本也会增大.但是.模拟时间依然很大程度上少于MT3DMS所需的时间,这就是RWhet的优点。通过展示两种方法得到的结果,本研究为模拟长期的污染场地修复时的抽水系统提供了指导。本工作将增进对污染运移和持久性污染羽的了解,反过来.也会增强对有大型污染羽的污染场地的现场特特征描述和修复管理。ResumoUm estudo de caso é apresentado onde são implementados dois modelos numéricos para simular uma operação de bombeamento e tratamento (BET) de 30 anos conduzida em um grande local contaminado para o qual conjuntos de dados de alta resolução estão disponíveis. Um método estocástico baseado em cadeia de Markov é usado para gerar condicionalmente as evoluções temporais com distribuição aleatória de heterogeneidade para a área federal do Superfundo do Aeroporto Internacional de Tucson (TIAA) nos EUA. Os campos foram condicionados aos dados coletados para 245 furos perfurados no local. Tanto o MT3DMS quanto o método avançado de partículas de passeio aleatório (RWhet) foram usados para simular o processo de remoção de massa baseado em BET. Os resultados mostram que tanto o MT3DMS quanto o RWhet representam os dados medidos razoavelmente, com erro quadrático médio (RMSE) inferior a 0.03. O uso de redes refinadas e o método de diminuição de variação total (DVT) limitou os efeitos da dispersão numérica para MT3DMS. Entretanto, efeitos da dispersão numérica foram observados quando comparados às simulações produzidas com RWhet utilizando um maior número de partículas, o que proporcionou resultados mais precisos com RMSE diminuindo de 0.027 a 0.024 e a 0.020 para simulações com 1, 20 e 50 partículas, respectivamente. O tempo computacional aumentou com o uso de mais partículas no modelo, mas ainda foi muito menor que o tempo necessário para o MT3DMS, o que é uma vantagem do RWhet. Ao mostrar os resultados usando ambos os métodos, este estudo fornece orientação para simular sistemas de BET de longo prazo. Este trabalho melhorará a compreensão do transporte de contaminantes e a persistência da pluma e, por sua vez, melhorará a caracterização do local e o gerenciamento do local de áreas contaminadas com grandes plumas.