Detection and monitoring of DNAPLs in the subsurface under transient conditions using cross well radar

Abstract

Contamination of soils and groundwater, accidental spills, poor storage facilities, and inadequate disposal practices cause serious detriment of the environment and can pose a serious threat to human health. Common contaminants found in underground environments include many Dense Non-Aqueous Phase Liquids (DNAPLs). DNAPLs are liquids denser than water. Most DNAPLs experience only partial degradation in the subsurface, and persist for long time slowly releasing soluble organic constituents to groundwater. The most common DNAPLs are halogenated solvents, such as trichloroethylene (TCE) and tetrachloroethylene (PCE). Their heterogeneities distribution in the environments makes DNAPLs difficult to locate, characterize, and remediate. It is therefore, necessary to develop new technologies that will enhance our ability to characterize contaminated sites, locate underground contaminants, evaluate fate and transport processes, and remediate contaminated sites. The research presented herein develops and evaluates Cross Well Radar (CWR) technologies to detect and monitor DNAPLs contamination in subsurface environments under transient flow conditions. It involves systematic development and testing of sensing system, signal management and processing; and imaging technologies. Electromagnetic and flow experiments are used in conjunction with image acquisition technologies to generate critical information and evaluate the effectiveness and reliability of CWR systems. A methodology has been developed to detect electromagnetic (EM) changes caused by variable spatial and temporal distribution of fluids with different EM properties. The method used a 2D flow and electromagnetic soilBed instrumented with loop antennas. Measurements show sufficient contrast between EM properties of uncontaminated and DNAPL-contaminated soil to apply CWR for contaminant detection. The contrast is dependent on water content, frequency range of analysis, fluid movement, distribution, and heterogeneities, and the presence of physical, and fluid interfacial areas. A method was developed to estimate relative permittivity along raypath between transmitting and receiving CWR antennas from EM measurements. The method assumes lossless medium and perfectly coupled and identical radiation characteristics of the antennas. Estimates determined from water and TCE flow experiments indicate that variable and temporal distribution of fluids with different EM properties cause detectable changes in dielectric properties of the bulk soil. A sequentially algebraic reconstruction method (SART) was developed and applied to generate tomographic images of the estimated relative permittivities. The tomograms can be used to image and visualize the presence of disturbances in the medium. The tomographic method generates acceptable tomograms of under ground target elements in soils, provided that there is sufficient density of antennas array and proper grid spacing. The codes provide a tool for optimal CWR system design and can be applied to determine the number of antennas required for good resolution of a specific geometry in lossless medium. Generated images suggest slight variations of the tomograms after injection of TCE and water in the system. The tomographic results show changes caused by variable flow and fluid saturation and distribution conditions. The experimental resolution and potential measurement error, however, limit the asseverance of conclusive remarks in the system. This research also developed image acquisition and processing algorithms to analyze visual images of dyed contaminants, discriminate between regions of different amounts of DNAPLs, and assess potential relationships between electromagnetic variations and the spatially-distributed DNAPL in the soil. The results indicate that the image processing and analysis techniques developed in this research are effective in detecting changes by fluid flow and distribution. Differences in color intensity in the presence of water suggest that this technique may be applicable to monitor flow and saturation. Changes on pixel intensity during dyed TCE injection also indicate its application to monitor transport and mass of TCE in the system. The methods developed and tested in this research represent significant contributions, which move underground detection technologies closer to real applications. Recommendations addressed the limitations encountered and establish a basis for full deployment of CWR technologies for detection of underground contamination.

Contaminación de suelos y agua subterránea por derrames accidentales, deficientes sistemas de almacenamiento e inadecuadas prácticas de disposición de residuos causan deterioro al ambiente y ponen en riesgo la salud humana. Dentro de los contaminaminantes mas comunes están los compuestos mas densos que el agua, DNAPLs cuyas siglas en ingles representan a los Dense Non-Aqueous Phase Liquids. La mayoría de estos compuestos experimentan una degradación parcial en el subsuelo, y presentan una persistencia por mucho tiempo dejando cantidades residuales en los depósitos de agua subterránea. El tricloroetileno y percloroetileno (TCE y PCE, respectivamente, por sus siglas en ingles) hacen parte de los mas comunes DNAPLs presentes en el ambiente. La forma heterogénea como se distribuyen estos compuestos, hacen difícil su localización, caracterización, y remediación. Por esta razón, es necesario el desarrollo de nuevas tecnologías que permitan mejorar las habilidades de caracterizar sitios contaminados, localizar la contaminación, y evaluar sistemas de disposición y tratamiento de los sitios contaminados. Esta investigación evalúa y desarrolla la tecnología Cross Well Radar (CWR) para detectar y monitorear contaminación de DNAPLs en ambientes subterráneos bajo condiciones de flujo variable. Esto implica el desarrollo y prueba de sistemas de monitoreo y de análisis y procesamiento de señales y de imágenes. Experimentos electromagnéticos y de flujo fueron aplicados junto con las técnicas de adquisición de imágenes para generar información que evaluara la efectividad y confiabilidad de los sistemas de CWR para detección de DNAPLs. La metodología desarrollada permitió detectar cambios electromagnéticos causados por variaciones espaciales y temporales de los fluidos con diferentes propiedades eléctricas. En el método, se utilizó un tanque de flujo en dos dimensiones, el cual se instrumentó con antenas loop. Las medidas electromagnéticas muestran suficiente constraste, el cual depende del contenido de agua, el rango de frecuencias que se utiliza, el movimiento y distribución del fluido, y la presencia de interfaces entre los diferentes fluidos y el medio. Se desarrolló un método para estimar permitividades relativas a lo largo de las antenas utilizadas. El método utilizado asume ausencia de pérdidas en el medio y un acoplamiento idéntico de las antenas. Así mismo, los resultados mostraron variaciones en el sistema de distribución de los fluidos con diferentes propiedades eléctricas, los cuales causan cambios en las propiedades eléctricas de la densidad bulk del suelo. Se desarrolló un sistema de reconstrucción tomográfica con el cual se prepararon tomogramas partiendo de los valores estimados de permitividades. Los tomogramas pudieron ser usados para visualizar la presencia de perturbaciones en el medio. El método tomográfico genera tomogramas aceptables para objetos introducidos dentro del suelo, toda vez que existan suficiente densidad de antenas distribuidas con un espaciamiento apropiado. El programa desarrollado provee una herramienta apropiada para el diseño de sistemas CWR en un medio que no tenga pérdidas. Los resultados tomográficos muestran cambios en variación de flujo y durante la saturación del suelo. La resolución experimental y los errores posibles de las medidas limitan la determinación exacta del TCE en el suelo. Esta investigación también desarrolló un sistema de adquisición y procesamiento de imágines para analizar los cambios en suelos no contaminandos y contaminados, discriminados entre regiones con diferentes cantidades de DNAPLs. Los resultados indican que los algoritmos desarrollados son efectivos para detectar cambios de flujo en los fluidos. Las diferencias en intensidad de color en los suelos con contenido de agua indican que la técnica puede ser útil para monitorear el movimiento del flujo y la saturación del medio. Igualmente, los cambios de intensidad en los suelos con TCE indicaron que puede ser utilizada para aplicarla en determinación de la cantidad de masa de TCE. Los métodos desarrollados y probados en esta investigación representan una contribución valiosa para los sistemas de detección del subsuelo. Se plantean recomendaciones para mejorar la técnica de CWR en experimentos futuros.