On multicomponent reactive transports in porous media: from the natural complexity to analitycal solutions
- Autores: Leonardo David Donado Garzón
- Directores de la Tesis: Xavier Sánchez Vila (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2009
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jesús Carrera Ramírez (presid.), Daniel Fernández García (secret.), Philippe Gouze (voc.), Daniel Andrés Alcolea Rodríguez (voc.), Francisco Javier Elorza Tenreiro (voc.)
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- Tesis en acceso abierto en: TDX
- Resumen
El transporte de solutos no conservativos en medios porosos o fracturados es altamente influenciado por su heterogeneidad. Complejidad adicional se agrega al proceso de transporte, debido a la presencia de diferentes tipos de reacciones químicas que controlan la evolución de las concentraciones de las especies en el medio. Muchas de esas reacciones químicas están gobernadas por la mezcla de aguas con diferente calidad geoquímica. La mezcla produce desequilibrio químico instantáneo en el agua mezclada resultante, y las reacciones dan lugar para que se re-equilibre el sistema.Esta disertación doctoral estudia el transporte en medios heterogéneos cubriendo diferentes y tipos de acuíferos. Primero, el flujo y el transporte se analizan en rocas fracturadas, las cuales poseen baja permeabilidad. Estas formaciones son estudiadas usando como modelo conceptual las Redes Discretas de Fracturas, donde se considera el medio como una densa red de fracturas que se interconectan y conducen agua. Este modelo de es una alternativa válida para conceptualizar el transporte de solutos en el medio fracturado, pero tradicionalmente no se ha utilizado para analizar ni el transporte ni el flujo en una modelación de tipo problema inverso, debido a su alto costo computacional.El transporte de solutos conservativos en medios heterogéneos puede modelarse con una ecuación efectiva que involucre un término de transferencia de masa entre la zona móvil y la zona inmóvil. La segunda parte de la disertación explora la posibilidad de extender esta idea para tener en cuenta las especies reactivas. Se parte de la consideración de que las especies están en equilibrio químico local, el cual es alcanzado instantáneamente. El impacto de la heterogeneidad del medio en el transporte efectivo es representado por un modelo de tasa de transferencia múltiple de masa (MRMT), el cual aproxima el medio a un multicontinuo de una región móvil y varias regiones inmóviles, las cuales se relacionan por una transferencia de masa cinética. Partiendo del hecho de que todas las regiones están bien mezcladas, el equilibrio global no se preserva. Esta imposición implica que las reacciones tomen lugar en todo el dominio, y sean dominadas tanto por la dispersión local como por la transferencia de masa. Se derivaron expresiones explícitas para calcular las tasas de reacción en las regiones móvil e inmóvil y se estudió el impacto de la transferencia de masa en el transporte reactivo. Las tasas de reacción pueden cambiar significativamente comparadas con aquellas que se obtendrían en un medio homogéneo. Para una amplia distribución de tiempos de residencia en las zonas inmóviles, el sistema podría tomar mucho más tiempo para equilibrar globalmente el medio comparado que para un medio homogéneo.El último tema abordado en esta disertación es el análisis del transporte de especies bajo condiciones de cinética química o equilibrio no instantáneo. El transporte reactivo a escala local es analizado bajo dos situaciones: (i) con una reacción sencilla y (ii) con dos reacciones simultáneas: una considerada instantánea y la otra como lenta respecto al tiempo característico de transporte. En la primera situación de las dos planteadas, es posible concluir que el problema puede ser reescrito sólo en términos del estado inicial del sistema más una ecuación diferencial para la tasa de reacción. El resultado clave es que la tasa de reacción en equilibrio depende de un término relativo a la mezcla y a la reacción cinética, la cual es de hecho el factor que controla la disponibilidad de reactantes en el sistema, y la distribución de las combinaciones lineales de las concentraciones acuosas de las especies, llamadas componentes tanto conservativas como cinéticas. Desde un punto de vista operacional, estas expresiones permiten el cálculo directo de las tasas de reacción en equilibrio sin la necesidad de calcular las concentraciones de las especies acuosas.
