SlideShare una empresa de Scribd logo
1 de 47
Descargar para leer sin conexión
 
MODELING SOLUTE TRANSPORT AND 
MASS‐TRANSFER PROCESSES AT THE 
MADE‐SITE AQUIFER, MISSISSIPPI 
 
Por 
Luca Trevisan 
 
 
Tesina presentada en el 
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA DEL TERRENO Y CARTOGRÁFICA DE LA 
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS 
 
Para la obtención del título de 
MÁSTER EN HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA 
 
Expedido por la 
UNIVERSITAT POLITÉCNICA DE CATALUNYA 
 
con la colaboración de la  
FUNDACIÓN CENTRO INTERNACIONAL DE HIDROLOGÍA SUBTERRÁNEA 
 
2 
 
 
3 
 
INDEX 
 
ABSTRACT ......................................................................................................................... 7 
1.  INTRODUCTION ...................................................................................................... 8 
1.1  Description of the Macrodispersion Experiment (MADE) ................................... 8 
1.2  Literature review of previous models at the MADE site .................................... 12 
1.3  Objective of the study........................................................................................................ 15 
2.  METHODOLOGY ................................................................................................... 16 
3.  CONCEPTUAL MODEL ....................................................................................... 17 
3.1  Boundary and Initial Conditions .................................................................................. 17 
3.2  Description of Heterogeneity ........................................................................................ 18 
4.  MODEL DESCRIPTION ....................................................................................... 22 
4.1  Flow Model ............................................................................................................................ 22 
4.2  Transport Model I : Advective‐Dispersive Model ................................................. 22 
4.3  Transport Model II : Dual‐Domain Mass Transfer Model .................................. 24 
5.  NUMERICAL MODEL FEATURES ................................................................... 26 
5.1  Basic Flow and Transport Parameters ...................................................................... 26 
5.2  Determination of Mass Transfer Coefficients ......................................................... 27 
5.3  The Random Walk Particle Tracking Method ......................................................... 29 
6.  SIMULATION RESULTS ..................................................................................... 32 
6.1  Particle Cloud Evolution .................................................................................................. 32 
6.2  Integrated Mass Distribution with Longitudinal Distance................................ 35 
6.2.1  Mass transfer VS No Mass transfer .................................................................... 36 
6.2.2  Comparison between literature values of mass transfer rate 
coefficients ..................................................................................................................................... 37 
4 
 
6.2.3  Comparison between homogeneity and heterogeneity of mass 
transfer rate coefficients .......................................................................................................... 38 
6.2.4  Change of slope in the Bajracharya & Barry (1997) model .................... 39 
6.2.5  Zonification of the capacity coefficient ............................................................ 40 
7.  CONCLUSIONS ....................................................................................................... 43 
8.  REFERENCES ......................................................................................................... 44 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 
 
LIST OF FIGURES 
 
Figure 1 Macrodispersion Experiment (MADE) site location (after Boggs et al., 1992). ....... 8 
Figure  2  Geological  model  of  the  MADE  site  interpreted  by  geophysical  surveys  (after 
Bowling et al., 2005). ........................................................................................................................................... 9 
Figure 3 Three‐dimensional view of the monitoring network at the MADE site. Vertical 
lines indicate the locations of the flowmeters. Circles indicate multilevel sampler locations 
(after Feehley et al., 2000). ................................................................................................................................ 9 
Figure  4    a)  Multilevel  sampling  network  with  tracer  injection  point  at  the  origin  of 
coordinates (after Boggs et al., 1992); b) Locations of the 62 fully penetrating wells for 
flowmeter tests (after Salamon et al., 2007). .......................................................................................... 10 
Figure 5 Observed tritium plume at 328 days after injection (after Bowling et al., 2006). 11 
Figure 6 Longitudinal concentration profiles of the Tritium plume and predictions using 
the macrodispersion model and the mass transfer model (after Harvey & Gorelick, 2000).
 .................................................................................................................................................................................... 12 
Figure  7  Results  of  simulations  using  the  mass  transfer  transport  model  and  three 
different K representations (after Bowling et al., 2006). .................................................................... 14 
Figure 8 Mass transfer conceptual model for describing solute transport at large scales. 15 
Figure 9  Scheme of the conceptual model with the aerial view of the initial position of the 
tracer plume 27 days after injection. .......................................................................................................... 17 
Figure 10 Hydraulic conductivity profile derived from borehole measurements at well K‐
12 (after Boggs et al., 1992). ........................................................................................................................... 18 
Figure 11  Directional horizontal variogram and fitted model with hole effect for the ln K 
flowmeter data (after Salamon et al., 2007). ........................................................................................... 19 
Figure  12  Frequency  distribution  and  univariate  statistics  of  the  2495  flowmeter 
measurements (after Salamon et al., 2007). ............................................................................................ 20 
Figure 13  Realization # 26 of the hydraulic conductivity field. .................................................... 21 
Figure 14  Stochastic distribution of the hydraulic conductivity values for the realization # 
26. .............................................................................................................................................................................. 21 
Figure  15  Results  of  simulations  using  the  advection‐dispersion  transport  model  and 
three different K representations (after Bowling et al., 2006). ........................................................ 23 
Figure 16 Cross – section visualization of the tracer plume 328 days after injection using 
hydraulic  conductivity  field  realization  #  26:  a)  with  homogeneous  α;  b)  with 
heterogeneous α. ................................................................................................................................................. 33 
6 
 
Figure  17  Aerial  visualization  of  the  tracer  plume  328  days  after  injection  for  each 
hydraulic conductivity field realization: A) # 7; B) # 19; C) # 26; D) # 47; E) # 56; F) # 80.
 .................................................................................................................................................................................... 34 
Figure 18 Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium 
plume and simulations using dual – domain mass transfer or advective – dispersive model.
 .................................................................................................................................................................................... 36 
Figure 19  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium 
plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  mass  transfer  rate 
coefficients. ............................................................................................................................................................ 37 
Figure 20 Comparison chart between observed mass distribution profile of  the Tritium 
plume and simulations using mass transfer model with heterogeneous values or the same 
value of mass transfer rate coefficient. ...................................................................................................... 38 
Figure 21 Comparison chart between observed mass distribution profile of  the Tritium 
plume and simulations using mass transfer models with different terms in the correlation 
model between average pore – water velocity and mass transfer rate coefficients. .............. 39 
Figure 22 Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium 
plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  capacity  coefficients 
along downgradient distance. ....................................................................................................................... 40 
Figure 23 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection 
and  six  predictions  using  classical  advection‐dispersion  model  for  each  hydraulic 
conductivity field realization. ........................................................................................................................ 41 
Figure 24 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection 
and  six  predictions  using  dual  –  domain  mass  transfer  model  for  each  hydraulic 
conductivity field realization. ........................................................................................................................ 42 
 
 
7 
 
ABSTRACT 
Several  natural  gradient  field  tracer  tests  have  been  conducted  in  the  last 
decades  to  gain  understanding  on  the  mechanisms  governing  subsurface 
solute  transport.  Among  them,  the  Macro‐Dispersion  Experiment  (MADE) 
site,  which  is  distinguished  for  being  representative  of  a  highly 
heterogeneous system, has been the most controversial one for revealing an 
important anomalous behavior in the shape of the tracer plume, i.e., highly 
asymmetric  spreading  of  the  plume  with  high  concentrations  maintained 
near  the  source  and  a  far  and  dilute  reaching  front  of  the  plume.  Many 
conceptually  different  transport  models  have  been  developed  that  can 
partially  explain  this  behavior.  In  particular,  transport  models  with  rate‐
limited mass transfer processes have been claimed to better reproduce this 
behavior  as  opposed  to  macrodispersion  caused  by  heterogeneity  in 
hydraulic conductivity. Recently, a new stochastic model of the MADE aquifer 
(Salamon  et  al.,  2007)  has  shown  that,  when  small  –  scale  variability  of 
hydraulic conductivity is correctly modeled at the flowmeter measurement 
support  scale,  the  advection  –  dispersion  simple  model  is  capable  of 
reproducing much of the anomalous tracer spreading at the MADE site. The 
objective of this Master thesis is to assess the relative importance of mass 
transfer  processes  at  the  MADE  site.  To  achieve  this,  we  extend  Salamon’s 
model  to  include  mass  transfer  processes.  Sensitivity  analyses  of  the  mass 
transfer model parameters show the interplay between Darcy – scale mass 
transfer and (lnK) heterogeneity. Remarkably, significant improvement in the 
plume shape characteristics is obtained when a direct relationship between 
the characteristic times of mass transfer and advective processes is included 
in the model. 
8 
 
1. INTRODUCTION 
1.1 Description of the Macrodispersion Experiment (MADE) 
The field data used for this study are from the MADE site at the Columbus Air 
Force Base in northeastern Mississippi (Figure 1). The shallow aquifer which 
immediately underlies the site consists of an alluvial terrace deposit with an 
average  thickness  of  11  m  and  is  characterized  by  a  high  degree  of 
heterogeneity (variance of the natural logarithm on hydraulic conductivity of 
about 4).  
Based  on  resistivity  data  and  additional  information  obtained  from  other 
geophysical methods such as ground penetrating radar, Bowling et al. (2005) 
divided  the  MADE  site  into  four  stratigraphic  units:  1)  an  upper  layer  of 
meandering fluvial sediments, 2) an upper‐middle layer with gravelly sands 
deposited by a braided fluvial system, 3) a layer associated with fine sands 
and silts of the Eutaw Formation (Eutaw Sand), and 4) a layer associated with 
the high clay content of the Eutaw Formation (Eutaw Clay). 
The  top  two  units  were  deposited  by  a  meandering  fluvial  system  and 
braided fluvial system respectively, while the lower two units are part of the 
marine  Eutaw  Formation  (Figure  2).  According  to  Bowling  et  al.  (2005), 
stratigraphy of the second unit consists of multiple lenticular bodies on the 
Figure  1  Macrodispersion  Experiment  (MADE)  site
location (after Boggs et al., 1992). 
9 
 
order of 5 – 10 m in length; this unit represents the main aquifer at the MADE 
site  and  accounts  for  the  considerable  heterogeneities  in  hydraulic 
conductivities that have been reported.  
An array of 258 multilevel samplers consisting of a network of approximately 
6000 sampling points (Figure 4a) was built for monitoring the tracer plume 
in  three  dimensions.  Whereas  the  spatial  distribution  of  hydraulic 
conductivity  at  the  test  site  was  determined  from  2495  measurements  of 
conductivity obtained from borehole flowmeter tests performed in 62 fully 
penetrating  wells  (Figure  4b).  A  comprehensive  three‐dimensional  view  of 
the whole sampling network is given in Figure 3. 
Figure  2  Geological  model  of  the  MADE  site  interpreted  by  geophysical  surveys
(after Bowling et al., 2005). 
Figure  3  Three‐dimensional  view  of  the  monitoring  network  at  the  MADE  site.
Vertical  lines  indicate  the  locations  of  the  flowmeters.  Circles  indicate
multilevel sampler locations (after Feehley et al., 2000). 
10 
 
Two field‐scale macrodispersion experiments were conducted to carry out a 
complete  hydraulic  characterization  of  the  aquifer  and  to  execute  a  tracer 
injection and plume tracking program.  
MADE‐2  represents  the  second  large‐scale  natural‐gradient  tracer 
experiment conducted at Columbus Air Force Base. The field study started in 
June 1990 and was carried out during the following 15 months performing 
detailed field observations of the transport of tritiated water. 
The method of injecting the tracer solution into the aquifer was designed for 
producing a uniform pulse release of tracers into approximately the middle 
of the saturated zone with the minimal amount of disturbance of the natural 
flow field. In order to do that, a total volume of 9.7 m3 of tracer solution was 
injected  through  a  linear  –  five  –  well  array  during  approximately  2  days 
registering a maximum increase in hydraulic head within the injection wells 
Figure 4  a) Multilevel sampling network with tracer injection point at the origin
of coordinates (after Boggs et al., 1992); b) Locations of the 62 fully
penetrating wells for flowmeter tests (after Salamon et al., 2007). 
11 
 
of 0.45 m. The injection fluid had a tritium concentration of 55’610 pCi/mL 
and the total injected mass (activity) was 0.5387 Ci. Each injection well was 
screened over a 0.6 m interval between elevations 57.5 m and 58.1 m a.m.s.l. 
(Boggs et al., 1992).  
After  328  days  since  the  injection  took  place,  the  two  clearest  features 
showed by the tracer plume observations, were: 
• the  strong  asymmetry  of  the  concentration  distribution  in  the 
longitudinal dimension; 
• a highly variable mass balance during the experiment. 
In  fact,  from  studies  conducted  at  more  homogeneous  aquifers,  like  the 
Borden or the Cape Cod sites, it would be predicted that the plume would 
have traveled a considerable distance from the injection area 328 days after 
the  start  of  injection.  However,  the  location  with  the  maximum  observed 
concentration of approximately 3800 pCi/mL was less than 6 m away from 
the injection location (Figure 5). This may be explained by the fact that the 
aquifer is extremely heterogeneous and the injection wells are  located in a 
zone  with  relatively  low  hydraulic  conductivity  acting  as  a  tracer  trap 
(Feehley et al., 2000). 
Figure 5 Observed tritium plume at 328 days after injection (after Bowling et al., 2006).
12 
 
1.2 Literature review of previous models at the MADE site 
Till  now  many  numerical  models  attempted  to  explain  the  extreme  non‐
Gaussian  behavior  of  the  tracer  plume  at  the  MADE  site.  Amongst  all  the 
following ones deserve a special attention. 
Harvey & Gorelick (2000) stated in their paper that a combination of physical 
nonequilibrium  mass  transfer  (molecular  diffusion  into  and  out  of  low 
permeability areas) and chemical sorption could better explain the behavior 
of the plumes at the Columbus Air Force Base than a macrodispersion model 
alone (Figure 6). 
 Moreover, they asserted that declining mobile mass and extreme asymmetric 
spreading,  were  both  evidences  of  transport  subject  to  rate‐limited  mass 
transfer,  in  the  case  when  the  capacity  coefficient  (ratio  of  immobile  to 
mobile mass at equilibrium) was large and the timescale of mass transfer was 
similar  to  the  timescale  of  the  experiment.  In  fact,  they  suggested  that 
diffusional mass transfer might have been significant in the Columbus aquifer 
because three main criteria were met: 1) the plume was observed over the 
timescale  similar  to  the  timescale  of  diffusion  in  and  out  of  the  low 
conductivity  zones,  2)  diffusion  was  dominating  advection  within  the  low 
Figure 6 Longitudinal concentration profiles of the Tritium plume and predictions
using  the  macrodispersion  model  and  the  mass  transfer  model  (after
Harvey & Gorelick, 2000). 
13 
 
conductivity zones, and 3) advection was dominating diffusion through the 
high conductivity zones. 
A  complementary  study  was  led  by  Feehley  et  al.  (2000)  where  a  dual  – 
domain mass transfer model was compared with the Advection – Dispersion 
Equation  (ADE)  accounting  two  methods  of  hydraulic  conductivity 
interpolation,  ordinary  kriging  and  conditional  geostatistical  simulation 
based  on  fractional  Brownian  motion.  The  results  showed  that  tracer 
spreading  using  ADE  was  not  modeled  correctly  with  neither  of  the  two 
heterogeneous fields. The authors attribute this to the fact that preferential 
flow  pathways,  which  strongly  influenced  asymmetric  tracer  spreading, 
might exist at a scale smaller than the grid spacing. To overcome this inability 
they suggested the use of a dual‐domain approach which, after calibrating the 
immobile porosity and the mass transfer rate, was able to recreate the non‐
Gaussian shape of the tracer plume. 
Berkowitz and Scher (1998) also analyzed the MADE site experiment using 
the  continuous  time  random  walk  formalism.  They  compared  the  field 
experiment  with  the  dominant  aspects  of  anomalous  solute  transport  in 
fracture  networks.  Characterizing  key  features  of  fracture  properties  and 
mapping  them  on  probability  distributions,  the  spatial  distribution  of  the 
plume  concentration  as  well  as  breakthrough  curves  can  be  calculated 
analytically using the continuous time random walk approach. Comparing the 
results of the fracture network to the MADE site Berkowitz and Scher (1998) 
demonstrate that time dependent anomalous as, i.e., non‐Gaussian transport 
also exists in other geological formations than rock fractures. They conclude 
that when mapping preferential flow paths and high flow variability of the 
heterogeneous aquifer at the Columbus Air Force Base to a series of channels 
or “fractures” tracer transport can be reproduced using the continuous time 
random walk method. 
Another explanation of the failure to model correctly the tracer experiment 
was given by Barlebo et al. (2004). Their paper introduced the possibility that 
the  small‐scale  flowmeter  measurements  were  too  noisy  and  possibly  too 
biased to use so directly in site‐scale models and that the hydraulic head and 
transport measurements were more suitable for site‐scale characterization. 
14 
 
Therefore  they  suggested  using  a  finite  element  three‐dimensional  inverse 
flow  and  transport  model  to  overcome  the  inaccuracy  of  flowmeter 
measurements,  concluding  that  the  macrodispersion  model  is  still  able  to 
reproduce the extensive plume spreading. 
A more recent attempt to model the MADE site tracer plume using the mass 
transfer model was presented by Bowling et al. (2006). The intent of these 
authors  was  to  demonstrate  that  a  highly  heterogeneous  aquifer  could  be 
modeled  properly  with  minimal  hydrological  data  supplemented  with 
geophysical data. Thus, in order to test the validity of their  approach, they 
used many geophysically derived hydraulic conductivity representations to 
compare the macrodispersion model (Figure 15) to the mass transfer model 
(Figure 7). 
To conclude this issue, the last work to be cited is the one of Salamon et al. 
(2007),  whose  end  was  to  highlight  the  importance  of  generating  high  – 
resolution  hydraulic  conductivity  fields  on  the  basis  of  a  detailed 
geostatistical analysis. They concluded that, when small – scale variability of 
hydraulic conductivity is correctly modeled at the flowmeter measurement 
support scale, the ADE is capable of reproducing the tracer spreading at the 
MADE site and that the heterogeneity at that scale is the main contributor to 
the anomalous plume behavior. 
Figure 7 Results of simulations using the mass transfer transport model and three 
different K representations (after Bowling et al., 2006). 
15 
 
1.3 Objective of the study 
After  revising  the  previously  cited  works  we  found  that  the  normalized 
Tritium  mass  profile  still  has  not  been  well  reproduced,  in  particular 
regarding two aspects: 
• the steepness of the tail slope; 
• the presence of an unexpected second peak at the front of the plume. 
The goal of this study consisted of studying the relative importance of Darcy‐
scale mass transfer model as an alternative upscaled model (Figure 8) at the 
macrodispersion experiment, in order to better reproduce the non‐Gaussian 
behavior of the Tritium plume. 
To achieve this objective we compared the advection‐dispersion model with 
a single‐rate mass transfer model and, according to the study of Salamon et 
al.  (2007),  we  took  into  account  6  of  the  80  sequential  realizations  of  the 
hydraulic  conductivity  field  in  order  to  depict  several  possible  scenarios. 
These  realizations  were  chosen  because  they  seemed  to  be  the  ones  best 
reproducing the plume mass distribution. 
Figure  8  Mass  transfer  conceptual  model  for  describing  solute
transport at large scales. 
16 
 
2. METHODOLOGY 
The  study  started  with  the  conceptualization  of  the  flow  model,  fixing  the 
boundary conditions of the domain system and the initial concentration of 
the tracer mass injected, as well as selecting 6 different realizations of the 
hydraulic  conductivity  field  among  the  80  already  existing  in  the  paper  of 
Salamon  et  al.  (2007).  These  hydraulic  conductivity  fields  were  useful  to 
observe the variation of the simulation results depending on each realization 
and independently of the choice of the model grid or the potential incapacity 
of the ADE to simulate anomalous transport. 
Afterward,  through  an  additional  FORTRAN  program,  the  binary  file 
originated by the MODFLOW model containing the intracell flow rates for the 
whole domain’s grid was converted to a GSLIB format file where flow rates 
were  transformed  into  pore‐water  velocity.  Subsequently,  through  the 
Bajracharya & Barry (1997) model, the pore‐water velocity was correlated to 
the  mass  transfer  coefficient  α.  This  task  allowed  studying  the  velocity  – 
dependence of the mass transfer rate coefficient. 
Then a comparison between a constant – α model and a heterogeneous – α 
model  was  performed  to  demonstrate  that  a  heterogeneous  field  of  mass 
transfer  rate  coefficients  could  explain  much  better  the  observed  tracer 
plume behavior than a model using the same coefficient on the whole domain 
(Figure 20). 
Furthermore we proceeded with a trial and error estimation of the values for 
the intercept and slope terms of the model by Bajracharya & Barry (1997), so 
that  we  could  achieve  a  better  adjust  to  the  observed  tracer  mass 
distribution. 
The  last  section  of  the  work  consisted  of  a  comparative  process  between 
many simulation results through a semi – logarithmic graphic of normalized 
mass distribution with distance from the injection point. As it will be showed 
in the following chapters, that class of graphic represented the best way to 
highlight the extreme asymmetric spreading of the observed tracer plume. 
17 
 
3. CONCEPTUAL MODEL 
3.1 Boundary and Initial Conditions 
Dirichlet condition of specified head was fixed at x = 0 m and x = 280 m since 
a  natural  gradient  flow  system  at  steady  state  regime  was  considered, 
whereas Neumann conditions of no flow were set at y = 0 m, y = 100 m (y‐
axis parallel to flow lines), z = 0 m and z = 10.5 m. Specified heads at the 
northern and southern boundaries were interpolated from average heads of 
1‐year observations using ordinary kriging. 
For  the  transport  model,  boundary  conditions  of  zero  –  mass  –  flux  were 
fixed  at  all  boundaries  except  for  the  northern  and  southern  boundaries, 
where the solute could exit freely out of the model domain. 
As  initial  concentration  for  the  tracer  plume,  the  mass  distribution  for  the 
27th day was employed (Figure 9), because of the complexity of reproducing 
specific  local  conditions  as,  e.g.,  well  characteristics,  hydraulic  head  cone 
Figure 9  Scheme of the conceptual model with the aerial view of the initial position
of the tracer plume 27 days after injection. 
 
18 
 
during injections, etc., which the tracer injection is generally subject to. Then, 
with the purpose of using the mentioned snapshot as starting point within 
the  transport  model,  the  tracer  concentration  was  spatially  interpolated in 
the aquifer and a total of 50’000 particles were proportionally assigned to 
each cell (Salamon et al., 2007). 
 
3.2 Description of Heterogeneity 
The most important feature that differentiates the MADE site aquifer from 
previous  natural  gradient  experiments,  like  the  Cape  Cod  or  the  Borden 
aquifers,  is  its  important  degree  of  heterogeneity  in  the  hydraulic 
conductivity field. Rehfeldt et al. (1992) reported that the overall variance of 
the natural logarithm of hydraulic conductivity estimated from the borehole 
flowmeter measurements was 4.5 (Figure 12). This result indicates that the 
alluvial aquifer at the Columbus site is approximately 1 order of magnitude 
more  heterogeneous  than  the  aquifers  at  the  Borden  and  Cape  Cod  sites, 
where the variances measured were 0.29 and 0.26 respectively. 
The flowmeter derived hydraulic conductivity profile in Figure 10 illustrates 
the extreme heterogeneity of the aquifer. 
Figure  10  Hydraulic  conductivity  profile  derived  from
borehole  measurements  at  well  K‐12  (after 
Boggs et al., 1992). 
19 
 
Although the statistical section has not been treated extensively in this work, 
the study of the plume evolution requires a good knowledge of the hydraulic 
conductivity  field  through  which  the  solute  is  moving.  However,  as  full 
knowledge of aquifer properties is not possible, many different equally likely 
aquifer realizations were realized. Among 80 realizations, we analyzed 6 of 
them,  corresponding  on  the  best  performance  based  on  the  advective  and 
dispersive transport mechanisms (Salamon et al., 2007). 
Based  on  the  work  of  Salamon  et  al.  (2007),  these  6  realizations  of  the 
hydraulic conductivity spatial distribution were obtained through stochastic 
simulation  of  random  fields  as  a  variogram  model  consisting  of  a  nested 
structure  and  a  so  called  “hole  effect”  model  (Figure  11).  Hole  effect 
structures are used to indicate a form of periodicity, e.g., lenses of high/low 
conductivity,  which  is  a  common  spatial  characteristic  in  sedimentary 
geology. 
Figure 11  Directional horizontal variogram and fitted model with hole effect
for the ln K flowmeter data (after Salamon et al., 2007). 
20 
 
  
 
 
Table 1  Univariate statistics of the hydraulic conductivity fields. 
Model  mean ln K (cm/s) variance ln K 
Flowmeter Measurements ­5.35  4.245 
Realization # 7  ‐5.1589  5.3814 
Realization # 19  ‐4.914  4.754 
Realization # 26  ‐4.8234  4.6195 
Realization # 47  ‐5.229  4.54 
Realization # 56  ‐5.343  4.969 
Realization # 80  ‐5.2897  5.166 
Figure  12  Frequency  distribution  and  univariate  statistics  of  the  2495
flowmeter measurements (after Salamon et al., 2007). 
21 
 
The conductivity field realizations were saved in the GSLIB format so that it 
was  possible  to  visualize  them  in  SGeMS  software  (Figure  13)  and  to 
represent the whole values by a histogram summarized by the mean and the 
variance (Figure 14). 
 
Figure 13  Realization # 26 of the hydraulic conductivity field. 
Figure  14    Stochastic  distribution  of  the  hydraulic  conductivity  values  for  the
realization # 26.
22 
 
4. MODEL DESCRIPTION 
4.1 Flow Model 
Groundwater flow within the aquifer was modeled using a three‐dimensional 
block‐centered  finite  difference  code,  using  a  model  domain  with  280 
columns, 110 rows and 70 layers (2’156’000 nodes covering a total volume of 
280 x 110 x 10.5 m3). The grid spacing is then 1 x 1 x 0.15 m. 
Since  the  attention  was  focused  on  the  influence  of  the  heterogeneity  of 
hydraulic  conductivity  in  the  longitudinal  mass  distribution  profile,  we 
considered  sufficient  to  simulate  the  flow  at  steady  state  conditions  in  a 
confined  system  using  the  MODFLOW  code.  Yet,  it  is  recognized  the 
possibility that a transient regime of flow may had been affecting the three – 
dimensional picture of the tracer cloud. 
 
4.2 Transport Model I : Advective­Dispersive Model 
The  classical,  Fickian  advection‐dispersion  transport  equation  for 
conservative tracers is: 
( )ij i s s
i j i
C C
D q C q C
t x x x
θ θ
⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂
= − +⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠             [1] 
where C [ML‐3] is the solute concentration, θ is the porosity, t is time, Dij is the 
hydrodynamic dispersion tensor [L2T‐1], qi is the Darcy flux, while qs and Cs 
are the Darcy flux and concentration respectively of the fluid sink/source. 
The  advection  –  dispersion  equation  describes  the  transport  of  a 
conservative  solute  (non  –  reactive).  Therefore  simple  interaction 
phenomena  like  retardation  coefficients  or  coupling  with  geochemical 
models are not considered. 
This  equation  expresses  that  the  dispersion  of  a  tracer  plume  around  its 
center of mass can be compared to a diffusion mechanism; thus we refer to 
Fickian,  diffusive  or  even  Gaussian  dispersion.  Such  dispersion  is 
characterized by some coefficients that are measured both on laboratory and 
23 
 
field. Several tracer experiments and theoretical studies (e.g., Matheron and 
de Marsily, 1980; Gelhar, 1993) show that: 
• depending  on  the  tracer  experiment  scale,  dispersion  coefficients  are 
different; 
• at a given scale, dispersion coefficients increase with the distance from 
injection point. 
This  scale‐dependent  behavior  (also  sometimes  referred  to  as  “pre‐
asymptotic”  or  “non‐Gaussian”)  is  what  we  shall  refer  to  as  “non‐Fickian” 
transport. Other evidence of non‐Fickian behavior lies in the often observed 
“unusual” early breakthrough, and “unusual” long late time tails, in measured 
breakthrough curves. 
Due to this deficiency, advection‐dispersion simulations fail to reproduce the 
low concentrations of tritium observed at distances much greater than 100 m 
from the injection point, although they generally explain the observed peak 
concentrations (Figure 15) (Bowling et al., 2006). 
 
 
Figure  15  Results  of  simulations  using  the  advection‐dispersion  transport  model
and three different K representations (after Bowling et al., 2006). 
24 
 
4.3 Transport Model II : Dual­Domain Mass Transfer Model 
In  order  to  overcome  these  deficiencies  in  representing  the  tail  of 
breakthrough curves, alternative transport models have been promoted. For 
instance,  an  alternative  to  the  single  –  porosity  advection  –  dispersion 
equation  is  the  dual  –  porosity  or  dual  –  domain  mass  transfer  model,  as 
given below for conservative tracers:   
( )m im m
m im m ij i m s s
i j i
C C C
D q C q C
t t x x x
θ θ θ
⎛ ⎞∂ ∂ ∂∂ ∂
+ = − +⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠           [2] 
where θm is the porosity of the “mobile” domain, denoting pore spaces filled 
with  mobile  water,  θim  is  the  porosity  of  the  “immobile”  domain,  denoting 
pore spaces filled with immobile water, Cm [ML‐3] is the solute concentration 
in  the  mobile  domain,  and  Cim  [ML‐3]  is  the  solute  concentration  in  the 
immobile domain. 
With the dual – domain model the aquifer is conceptualized as consisting of 
two overlapping domains, a mobile domain in which transport is dominated 
by advection and an immobile domain in which transport is mostly driven by 
molecular  diffusion.  For  this  reason  the  dual  –  domain  approach  gives  a 
plausible  explanation  of  the  mass  overestimation  at  early  times  and 
underestimation at late times (Feehley et al., 2000). 
Typically this model defines the rate of change of solute concentration within 
the immobile zone as:   
( )im
im m im
C
C C
t
θ α
∂
= −
∂
                    [3]                                 
where  α  is  a  first‐order  rate  coefficient  which  controls  the  rate  at  which 
solute  moves  between  immobile  and  mobile  domains.  The  larger  the  rate 
constant α is, the faster transport occurs between the mobile and immobile 
zones for a given concentration difference.  
 
Another important term for treating the dual – domain model is the term β 
[dimensionless],  which  is  the  “capacity  coefficient”,  equal  to  the  ratio 
25 
 
between tracer mass in the immobile zone and the mass in the mobile zone at 
equilibrium: 
 
                          [4] 
                           
 
The capacity coefficient relates to the total porosity as follows: 
 
                        [5] 
 
This dual – domain mass transfer model can be generalized to account for 
multiple mass transfer processes occurring simultaneously. In this case, the 
transport  equation  is  known  as  the  multi  –  rate  mass  transfer  model.  The 
model  describes  mass  transfer  between  a  mobile  zone  and  any  number  of 
immobile  zones,  and  is  coupled  with  the  advective  –  dispersive  transport 
model for solute transport.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
im
m
θ
β
θ
=
1
m
φ
θ
β
=
+
26 
 
5. NUMERICAL MODEL FEATURES 
5.1  Basic Flow and Transport Parameters 
An average total porosity of 0.32 was used for the entire model area, which 
corresponds to the value determined from the soil cores collected at the test 
site (Boggs et al., 1990). A value of 0.1 m was assigned to the longitudinal 
dispersivity and the ratios of the transverse and vertical dispersivities to the 
longitudinal dispersivity were fixed at 0.1. Additionally an apparent diffusion 
of 1.0 cm2/day was chosen for Tritium according to Gillham et al. (1984). 
 
Table 2  Input parameters for solute transport model. 
 
Parameter  Simulation 1  Simulation 2  Simulation 3 
Θm  0.04  0.04  0.04; 0.008; 0.22 
Θim  0.28  0.28  0.28; 0.312; 0.122 
β  7.0  7.0  7.0; 39; 0.62 
ln K Realization  26  26  26 
α(days­1)  constant, 0.02 
variable1, 
    A= ‐ 0.61; B= 1.5
variable1, 
    A= ‐ 0.61; B= 1.5
Longitudinal 
Dispersivity (m) 
0.1  0.1  0.1 
Transverse 
Dispersivity (m) 
0.01  0.01  0.01 
Total porosity  0.32  0.32  0.32 
Courant number  0.0125  0.0125  0.0125 
 
(1) log(tα) = A + B * log(tad) 
(2) first, second and third zone 
27 
 
5.2  Determination of Mass Transfer Coefficients 
As  it  has  been  introduced  in  chapter  4.3,  the  dual  –  domain  mass  transfer 
model  expresses  a  solute  mass  interchange  between  two  overlapping 
domains, a mobile domain and an immobile one. Subsequently there is the 
need to determine mass transfer rate coefficients that control this change of 
solute concentration within both domains. 
Many papers (i.e. Brusseau, 1992; Bajracharya and Barry, 1997; Griffioen et 
al.,  1998)  found  that  the  first‐order  rate  coefficient  α  [T‐1]  changes 
approximately linearly with average pore‐water velocity ν. 
Two physical explanations underlie the mechanism that correlates α with ν. 
The first process believed to control the relationship between α and ν is the 
advection through low – K zones. Zinn and Harvey (2003) show that α varies 
linearly with ν 1) if high – K regions are spatially connected, 2) if the variance 
and spatial scale of K heterogeneity fall in a range where tailing occurs, and 
3) if transport into low – K regions is not controlled by diffusion.  Zinn and 
Harvey  conclude  that  advection  into  low  –  K  areas  may  create  tailing  that 
cannot  be  explained  by  a  Fickian  macrodispersion  model  in  fields  with 
connected  high  –  K  paths,  even  though  these  fields  have  conventional 
univariate  lognormal  histograms and  covariance  functions  (Haggerty  et  al., 
2004). 
The second, less accounted explanation for the relationship between α and ν 
is  that  the  mass  transfer  model  does  not  adequately  characterize  the 
underlying physics of mass transfer. An example of this theory  is given by 
Glueckauf (1955) and Rao et al. (1980), who show that when a simple linear 
mass  transfer  model  is  used  to  approximate  diffusion  into  spheres,  the 
effective α changes with the duration of the experiment. 
For the purpose of this study we considered advection through low – K zones 
as the predominant process within the Columbus aquifer, so we accounted 
the  Bajracharya  and  Barry  (1997)  model  as  the  best  one  to  reproduce  the 
correlation between mass transfer rate coefficient and average pore – water 
velocity. This model is based on experiments conducted in two columns of 
28 
 
different lengths with a design such that mass transfer was expected to be 
dominated by advection. 
The results from Bajracharya and Barry’s experiments showed that log tα is 
better correlated to log tad than log v, and the relation of tα to residence time 
is not related to column length. As a matter of fact it was demonstrated that 
the  strongest  tailing  in  an  experiment  is  always  due  to  the  mass  transfer 
process  with  approximately  the  same  timescale  as  advection  through  he 
system. Bajracharya and Barry (1997) model formulates this proportionality 
between  “mass  transfer  time”  tα  and  “advection  time”  tad  through  the 
following equation: 
 
log log adt tα = Α + Β⋅                       [6] 
where the intercept term A = ‐ 0.61 and the slope term B = 1.10. 
First  of  all  we  know  that,  for  a  first‐order  single‐rate  mass  transfer  model 
(Haggerty  et  al.,  2004),  the  characteristic  residence  time  in  the  immobile 
zone or “mass transfer time”, tα [T], is: 
 
1
tα
α
=
                                    
[7] 
We also know that the characteristic residence time in the mobile zone or 
“advection time”, tad [T], is: 
ad
x
t
v
∆
=                                               [8] 
 
 
 
 
 
 
29 
 
5.3 The Random Walk Particle Tracking Method 
We  consider  the  movement  of  water  and  chemical  species  (i.e.,  tracers) 
moving  through  a  geological  formation.  Clearly,  heterogeneities  occur  on  a 
broad range of scales in most geological formations. These heterogeneities 
can consist of fractures (joints and/or faults), variations in  the rock matrix 
(e.g.,  grain  sizes,  mineralogy,  layering,  and  lithology),  and/or  large‐scale 
geological structures. Under an external pressure gradient, the velocity and 
flux  distributions  are  determined  by  the  liquid  properties  and  by  the 
structure  of  the  aquifer  heterogeneities.  Tracer  particles  (representing  the 
contaminant  mass)  transported  within  the  water  move  through  the 
formation  via  different  paths  with  spatially  changing  velocities.  Different 
paths  are  traversed  by  different  numbers  of  particles.  Typically, 
heterogeneous  systems  show  a  broader  distribution  of  velocities  than 
homogeneous systems. This reasoning represents the conceptual basis of the 
random walk particle tracking method (RWPTM). 
The  RWPTM  consists  in  moving  a  cloud  of  solute  particles  advectively 
according to the flow path lines and adding a random displacement for each 
time step to simulate dispersion. Its main advantages are the nonexistence of 
numerical  dispersion,  computational  efficiency,  and  local  as  well  as  global 
mass conservation (Salamon et al., 2006). In fact, this modeling approach was 
designed  mainly  to  avoid  the  numerical  dispersion  that  might  be  affecting 
solute  transport  simulations  owing  to  the  addition  of  mass  transfer 
processes. 
In the study of  Salamon et al. (2006), the concept of transition probability 
was  drew  on  the  context  of  continuous  time  Markov  chains,  denoting  the 
probability that a process presently in state i will be in state j a time t later. 
Using  this  principle  in  particle  tracking  and  provided  that  we  know  the 
transition probability function, we can determine if a particle is in the mobile 
phase  after  a  time  step  ∆t  by  performing  a  simple  Bernoulli  trial  on  the 
appropriate phase transition probability. 
30 
 
In more detail, the evolution in time of each representative particle is driven 
by  a  drift  term  that  relates  to  the  advective  movement  and  a  superposed 
Brownian motion responsible for dispersion. The displacement of a particle 
in a given ∆t step is calculated as follows: 
( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2, ,p p p pt t t t t t t t+ ∆ = + ∆ + ⋅ ∆Χ Χ Β Χ Β Χ ξ           [9]  
where  Xp(t)  is  the  particle  position,  B1  is  the  “drift”  vector,  B2  the 
displacement  matrix,  and  ξ(t)  is  a  vector  of  independent,  normally 
distributed  random  variables  with  zero  mean  and  unit  variance.  B1 
corresponds to: 
1
mR
+ ∇⋅
=
v D
Β                     [10] 
and the displacement matrix B2 is related to the dispersion tensor according 
to the following relationship: 
2 2
2 T
mR
= ⋅
D
Β Β                     [11] 
After  having  described  the  spatial  evolution  of  a  particle  through  equations 
[9],[10], and [11], the random walk method can easily incorporate any mass ‐ 
transfer  process  by  performing  a  simple  Bernoulli  trial  on  the  appropriate 
particle  transition  probability  distribution  between  the  mobile  domain  and 
any  immobile  domain  (Salamon  et  al.,  2006).  The  transition  probability 
stochastic matrix was found as: 
( )1
exp t−
⎡ ⎤= ∆⎣ ⎦Ρ Α Β                   [12] 
where 
11
11 1 1
00
00
0 0
N
j j Nj
N
N N
α β αα
αα β
αα β
=
−
⎛ ⎞−
⎜ ⎟
−⎜ ⎟
= ⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎜ ⎟
⎝ ⎠
∑
Α Β                  [13] 
31 
 
Having  calculated  the  phase  transition  probabilities,  numerical 
implementation  into  particle  tracking  is  done  easily.  For  each  time  step  a 
uniform [0; 1] random number Y is drawn for each particle and is compared to 
the corresponding probability. 
The state of a particle being in the mobile phase is adjusted according to: 
( )
mobile if
immobile if
m m
p
m m
Y P
t t
Y P
→
→
<⎧
+ ∆ = ⎨
≥⎩
Χ            [14] 
 
For a particle being located in the immobile phase the final state is adjusted as 
follows: 
( )
immobile if
mobile if
im im
p
im im
Y P
t t
Y P
→
→
<⎧
+ ∆ = ⎨
≥⎩
Χ           [15] 
 
Having finished the trial, a particle is only allowed to move when being in the 
mobile phase. 
32 
 
6. SIMULATION RESULTS 
 
6.1 Particle Cloud Evolution 
One of RW3D’s main output files is the rw3d_part_evol.dat, a TECPLOT – input 
format which includes the spatial coordinates of the whole tracer plume after 
a previously selected time step. Some simulations of the plume distribution 
328 days after tracer injection for different conductivity field realizations are 
presented in Figure 17. 
It can be seen from these pictures that this kind of representation may help 
visualizing  the  first  impact  of  the  hydraulic  conductivity  field  on  the 
evolution of the contaminated plume. Nevertheless it’s not useful to observe 
the  results’  variation  owing  to  the  trial  and  error  phase  of  the  simulation 
process. In fact, after having chosen one of the six conductivity realizations, 
we  proceeded  testing  the  sensitivity  of  the  mass  transfer  parameters; 
however we didn’t detect such an important change in the plume’s shifting 
(Figure  16),  as  we  could  see  through  the  semi  –  logarithmic  chart  of  the 
longitudinal integrated mass distribution profile presented in the following 
issue. 
33 
 
b) 
a) 
Figure  16  Cross  –  section  visualization  of  the  tracer  plume  328  days  after
injection using hydraulic conductivity field realization # 26: a) with
homogeneous α; b) with heterogeneous α. 
34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A)  B) 
C)  D) 
E)  F) 
Figure 17 Aerial visualization of the tracer plume 328 days after injection for  each hydraulic conductivity
field realization: A) # 7; B) # 19; C) # 26; D) # 47; E) # 56; F) # 80. 
35 
 
6.2 Integrated Mass Distribution with Longitudinal Distance 
For  easier  comparison  between  the  simulated  plumes  and  the  observed 
Tritium  plume,  we  analyzed  all  the  simulation’s  results  through  the  same 
“Normalized  Tracer  Mass  versus  Distance  from  Injection  Point”  chart.  In 
order to do that, the model domain has been divided into 28 zones with a 10 
– meter – interval along the general flow direction (the y – axis). Then, after 
integrating concentrations laterally and vertically along the y – axis, the 1‐D 
mass profile 328 days after tracer injection was normalized by the total mass 
injected so that the resulting area under each model curve is equal to 1. 
Through this visualization we could notice at a glance which simulation was 
better reproducing the observed mass distribution and where were the most 
significant  discrepancies  with  the  simulated  mass  distribution.  Moreover, 
after considering realization # 26 as the best performing for the simulation of 
mass  distribution,  we  decided  calibrating  mass  transfer  parameters 
employing always this hydraulic conductivity field realization. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
36 
 
6.2.1 Mass transfer VS No Mass transfer 
 
The first attempt to model the Tritium mass distribution consisted of testing 
the  macrodispersion  model  using  the  traditional  Advection  –  Dispersion 
Equation  in  order  to  compare  its  resulting  curve  with  the  predictions 
corresponding to the Dual – Domain Mass Transfer Model. 
The  transport  and  mass  transfer  parameters  employed  for  this  first 
simulation are reported in Table 2.  
The mass transfer coefficient α selected for the represented simulation was 
0.02,  corresponding  to  the  harmonic  mean  of  the  whole  values  within  the 
heterogeneous field computed according to the Bajracharya & Barry (1997) 
model. 
The weak divergence of the DDMT curve from the ADE one is probably due to 
the high value of α (0.02 days‐1) which implies high rates of mass transfer 
between mobile and immobile zones and does not lead to a clear effect of the 
solute retention by the immobile zone. 
A more general view of this comparison for all six realizations is reported in 
Figures 23 and 24. 
Figure 18   Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium
plume  and  simulations  using  dual  –  domain  mass  transfer  or  advective  –
dispersive model. 
37 
 
6.2.2 Comparison  between  literature  values  of  mass  transfer  rate 
coefficients 
 
For  this  second  step  of  the  calibration  process  we  took  into  account  two 
values  of  α  which  were  previously  used  in  the  literature  by  Feehley  et  al. 
(2000);  subsequently  we  analyzed  their  effect  on  the  simulation  curve  in 
comparison with the mass transfer rate coefficient used in simulation 1. 
From this chart we can appreciate the physical meaning of the mass transfer 
coefficient  α;  in  fact  we  can  observe  that,  while  the  shape  of  the  mass 
distribution  profile  keeps  the  same,  the  mass  concentration  within  the 
central zone of the aquifer decreases proportionally with the value of α. This 
is due to the fact that a decrease of α leads to an increase of mass transfer 
time causing a slowdown of the solute mass flow. 
 
 
 
Figure 19  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium
plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  mass
transfer rate coefficients. 
38 
 
6.2.3 Comparison between homogeneity and heterogeneity of mass 
transfer rate coefficients 
 
After comparing a range of values for the mass transfer rate coefficient α, we 
evaluated the effect of a heterogeneous field of  α’s compared to a constant 
value over the whole domain. 
The heterogeneity of α was reproduced using the already cited Bajracharya & 
Barry (1997) model with its original values of intercept A and slope B. 
This  step  gave  not  much  positive  results,  for  this  reason  we  passed  to  the 
next step of the calibration process. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 20  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium
plume and simulations using mass transfer model with heterogeneous values
or the same value of mass transfer rate coefficient. 
39 
 
6.2.4 Change of slope in the Bajracharya & Barry (1997) model 
Here we proceeded calibrating the slope term within the Bajracharya & Barry 
(1997) model and finally we selected the value of 1.5 instead of the original 
value of 1.10 (Table 2). 
We  can  notice  from  this  chart  the  strong  sensitivity  of  the  slope  value,  in 
comparison with the parameter α which does not cause such a variation in 
the  curve  profile  by  changing  from  0.0033  to  0.0016  day‐1.  Moreover  it  is 
evident  the  improvement  of  the  model  for  what  concerns  the  tailing 
reproduction  (clear  appearance  of  two  peaks)  although  the  peak 
corresponding to the 200 – meter distance from the injection point is not well 
simulated yet, at least not in the right position. 
Another positive result of this prediction is the better resolution of the slope 
of the tail, quite more horizontal than the previous one.  
As  a  further  intent  to  reduce  the  tracer  mass  after  the  first  peak  we  also 
decreased the intercept term from – 0.61 to – 0.061 in order to reduce more 
α and the solute concentration within the immobile zone. 
Figure 21  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium 
plume and simulations using mass transfer models with different terms in
the  correlation  model  between  average  pore  –  water  velocity  and  mass 
transfer rate coefficients. 
40 
 
6.2.5 Zonification of the capacity coefficient 
 
A further attempt to improve the normalized tracer mass curve focused the 
attention on the position of the anomalous peak at the end of the plume tail. 
With the aim of reproducing this crest more shifted to the front of the plume 
we subdivided the aquifer along the y – axis into three sections of different 
capacity coefficient corresponding to 0 – 50 m, 50 – 160 m, and 160 – 280 m. 
Thus, assigning a different multiplier to the mobile porosity at each zone, we 
obtained three zones of porosity within the aquifer. 
In the chart presented above we assigned a multiplier of 0.2 to the 2nd zone, 
and a multiplier of 5 to the 3rd zone, while the porosity values of the first zone 
were left the same (Table 2). 
 
 
 
 
Figure 22  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium
plume  and simulations using mass transfer model with different  capacity
coefficients along downgradient distance. 
41 
 
 
Figure 23 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection and six predictions using classical advection‐dispersion model for 
each hydraulic conductivity field realization. 
42 
 
 
Figure 24 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection and six predictions using dual – domain mass transfer model for
each hydraulic conductivity field realization. 
43 
 
7. CONCLUSIONS 
The Macro‐Dispersion Experiment (MADE) site has been highly controversial 
for  showing  an  important  anomalous  behavior  in  the  shape  of  the  tracer 
plume. Many conceptually different transport models have been developed 
that can partially explain this behavior. Among them, remarkably, Salamon’s 
model [2007] has demonstrated that the main plume characteristics, i.e. non‐
Gaussianity  of  the  concentration  profile,  should  be  attributed  to  aquifer 
heterogeneity  (spatial  variation  in  hydraulic  conductivity).  This  model  did 
not include Darcy‐scale mass transfer processes that are believed to occur at 
the test site.  
In this work we have evaluated the relative importance of Darcy‐scale mass 
transfer processes at the MADE site. To do this, we modified Salamon’s model 
to incorporate Darcy‐scale mass transfer processes represented through an 
additional  source/sink  term  in  the  classical  advection‐dispersion  equation. 
For simplicity, the single‐rate mass transfer model was selected. Our study 
only  considers  the  six  successful  stochastic  realizations  of  the  hydraulic 
conductivity field from Salamon et al. (2007).  
We found that the new dual – domain mass transfer model seemed to offer a 
more  plausible  interpretation  of  the  anomalous  behavior  of  the  Tritium 
plume as it improves the prediction of the tracer front profile. In particular, 
the interplay between mass transfer processes and tracer velocity has been 
shown  to  be  significant.  When  a  positive  correlation  between  the  solute 
residence  time  in  the  immobile  domain  and  mobile  domain  exist,  the 
longitudinal profile of the tracer mass in the aquifer exhibited the presence of 
a double peak.  
44 
 
8. REFERENCES 
Bajracharya,  K.,  &  Barry,  D.  A.  (1997).  Nonequilibrium  solute  transport 
parameters  and  their  physical  significance:  Numerical  and  experimental 
results. Journal of Contaminant Hydrology , 24, 185‐204. 
Barlebo,  H.  C.,  Hill,  M.  C.,  &  Rosbjerg,  D.  (2004).  Investigating  the 
Macrodispersion Experiment (MADE) site in Columbus, Mississippi, using a 
three‐dimensional  inverse  flow  and  transport  model.  Water  Resources 
Research , 40 (W04211), doi:10.1029/2002WR001935. 
Berkowitz, B., & Scher, H. (1998). Theory of anomalous chemical transport in 
random fracture networks. Physical Review E , 57 (5), 5858‐5869. 
Boggs, J. M., Beard, L. M., Long, S. E., & McGee, M. P. (1993). Database for the 
Second  Macrodispersion  Experiment  (MADE‐2).  Electric  Power  Research 
Institute. 
Boggs, J. M., Young, S. C., & Beard, L. M. (1992). Field study of dispersion in a 
heterogeneous  aquifer  ‐  1.Overview  and  site  description.  Water  Resources 
Research , 28 (12), 3281‐3291. 
Bowling, J. C., Rodriguez, A. B., Harry, D. L., & Zheng, C. (2005). Delineating 
Alluvial Aquifer Heterogeneity Using Resistivity and GPR Data. Ground Water 
, 43 (6), 890‐903. 
Bowling, J. C., Zheng, C., Rodriguez, A. B., & Harry, D. L. (2006). Geophysical 
constraints  on  contaminant  transport  modeling  in  a  heterogeneous  fluvial 
aquifer. Contaminant Hydrology , 85, 72‐88. 
Brusseau, M. L. (1992). Nonequilibrium transport of organic chemicals: The 
impact of pore‐water velocities. Journal of Contaminant Hydrology , 353‐368. 
Carrera,  J.,  Sánchez‐Vila,  X.,  Benet,  I.,  Medina,  A.,  Galarza,  G.,  &  Guimerà,  J. 
(1998). On matrix diffusion: formulations, solution methods and qualitative 
effects. Hydrogeology Journal , 178‐190. 
45 
 
Feehley, C. E., & Zheng, C. (2000). A dual‐domain mass transfer approach for 
modeling  solute  transport  in  heterogeneous  aquifers:  Application  to  the 
Macrodispersion Experiment (MADE) site. Water Resources Research , 36 (9), 
2501‐2515. 
Gelhar,  L.  W.  (1993).  Stochastic  Subsurface  Hydrology.  Old  Tappan,  N.J.: 
Prentice Hall. 
Gillham, R. W., Robin, M. L., Dytynshyn, K. J., & Johnston, H. (1984). Diffusion 
of  nonreactive  and  reactive  solutes  through  fine‐grained  barrier  materials. 
Canadian Geotechnical Journal , 21, 117‐123. 
Glueckhauf,  E.  (1955).  Theory  of  chromatography,  part  10,  Formulae  for 
diffusion into spheres and their application to chromatography. Transactions 
of the Faraday Society , 1540‐1551. 
Griffioen, J. W., Barry, D. A., & Parlange, J. Y. (1998). Interpretation of two‐
region model parameters. Water Resources Research , 34 (3), 373‐384. 
Haggerty,  R.,  &  Gorelick,  S.  M.  (1995).  Multiple‐rate  mass  transfer  for 
modeling  diffusion  and  surface  reactions  in  media  with  pore‐scale 
heterogeneity. Water Resources Research , 31 (10), 2383‐2400. 
Haggerty, R., Harvey, C. F., von Schwerin, C. F., & Meigs, L. C. (2004). What 
controls the apparent timescale of solute mass transfer in aquifers and soils? 
A  comparison  of  experimental  result.  Water  Resources  Research  ,  40 
(W01510). 
Harvey,  C.,  &  Gorelick,  S.  M.  (2000).  Rate‐limited  mass  transfer  or 
macrodispersion: Which dominates plume evolution at the Macrodispersion 
Experiment (MADE) site? Water Resources Research , 36 (3), 637‐650. 
Matheron, G., & de Marsily, G. (1980). Is transport in porous media always 
diffusive? A counterexample. Water Resources Research , 16 (5), 901‐917. 
Rao, P. S., Jessup, R. E., Rolston, D. E., Davidson, J. M., & Kilcrease, D. P. (1980). 
Experimental and mathematical description of non‐adsorbed solute transfer 
46 
 
by diffusion in spherical aggregates. Soil Science Society of America Journal , 
44 (4), 684‐688. 
Rehfeldt, K. R., Boggs, J. M., & Gelhar, L. W. (1992). Field Study of Dispersion 
in  a  Heterogeneous  Aquifer  3.  Geostatistical  Analysis  of  Hydraulic 
Conductivity. Water Resources Research , 28 (12), 3309‐3324. 
Salamon, P., Fernàndez‐Garcia, D., & Gómez‐Hernández, J. J. (2006). Modeling 
mass  transfer  processes  using  random  walk  particle  tracking.  Water 
Resources Research , 42 (W11417), doi:10.1029/2006WR004927. 
Salamon, P., Fernàndez‐Garcia, D., & Gómez‐Hernández, J. J. (2007). Modeling 
tracer transport at the MADE site: The importance of heterogeneity. Water 
Resources Research . 
Zinn,  B.,  &  Harvey,  C.  F.  (2003).  When  good  statistical  models  of  aquifers 
heterogeneity go bad: A comparison of flow, dispersion, and mass transfer in 
connected  and  multivariate  Gaussian  hydraulic  conductivity  fields.  Water 
Resources Research , 39 (3). 
Zinn,  B.,  Meigs,  L.  C.,  Haggerty,  R.,  Harvey,  C.  F.,  Peplinski,  W.  J.,  &  Von 
Schwerin,  C.  F.  (2004).  Experimental  Visualization  of  Solute  Transport  and 
Mass  Transfer  Processes  in  Two‐Dimensional  Conductivity  Fields  with 
Connected  Regions  of  High  Conductivity.  Environ.  Sci.Technol.  ,  38,  3916‐
3926. 
 
47 
 
APPENDIX 1 
 
The RW3D Code 
The program is designed to calculate the following outputs according to the utility 
of the study: 
• Particle Breakthrough Curve; 
• Cumulative Particle Breakthrough Curve; 
• Particle Cloud Evolution; 
• Particle Paths; 
• Cartesian Spatial Moments; 
• Spatial Moments of Particle Position at Control Planes; 
• Particle Position at Control Planes; 
• Dilution Index of Kitanidis; 
• Radial Spatial Moments; 
• Temporal Moments; 
• Dispersivities from Control Planes. 
The  input  file  is  divided  into  many  packages  accounting  for  the  parameters  in 
brackets: 
• Domain’s Geometry (grid’s spacing and boundary conditions); 
• Time Discretization (constant move or constant time method); 
• Advection (Eulerian or Exponential method, unitary flux, porosity); 
• Dispersion  (longitudinal,  horizontal  transverse  and  vertical  transverse 
dispersivity); 
• Control Surfaces (wells or planes with  respective coordinates); 
• Reactive Package (e.g. Reactive Power Law Distribution of Mass  Transfer, 
Reactive  Multirate  Mass  Transfer,  Reactive  Equilibrium  Linear  Sorption, 
Reactive Multirate Mass Transfer, Reactive Spherical Diffusion). 

Más contenido relacionado

Similar a tesi_MADE

Lori Dufour - FLM
Lori Dufour - FLMLori Dufour - FLM
Lori Dufour - FLMLori Dufour
 
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EU
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EUCross-border railway connections between second-tier cities in the EU
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EUJorge Gomez
 
DISSERTATION final (final)
DISSERTATION final (final)DISSERTATION final (final)
DISSERTATION final (final)Yih Torng Hea
 
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...Suman Jyoti
 
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...Bernard Blewusi Agblevor
 
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHI
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHIINTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHI
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHIKiranKandhro1
 

Similar a tesi_MADE (10)

Lori Dufour - FLM
Lori Dufour - FLMLori Dufour - FLM
Lori Dufour - FLM
 
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EU
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EUCross-border railway connections between second-tier cities in the EU
Cross-border railway connections between second-tier cities in the EU
 
DISSERTATION final (final)
DISSERTATION final (final)DISSERTATION final (final)
DISSERTATION final (final)
 
Exeter tr caspiche_080426
Exeter tr caspiche_080426Exeter tr caspiche_080426
Exeter tr caspiche_080426
 
Master Thesis
Master ThesisMaster Thesis
Master Thesis
 
13811 (1).pdf
13811 (1).pdf13811 (1).pdf
13811 (1).pdf
 
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...
A thesis of numerical simulation of flow through open channel with series of ...
 
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...
INSTALLATION OF FIBER OPTIC CABLES IN DEVELOPING COUNTRIES USING LINK SENSOR ...
 
repport christian el hajj
repport christian el hajjrepport christian el hajj
repport christian el hajj
 
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHI
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHIINTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHI
INTERACTIVE AQUATIC MUSEUM AT BAGH IBN QASIM CLIFTON KARACHI
 

tesi_MADE

  • 3. 3    INDEX    ABSTRACT ......................................................................................................................... 7  1.  INTRODUCTION ...................................................................................................... 8  1.1  Description of the Macrodispersion Experiment (MADE) ................................... 8  1.2  Literature review of previous models at the MADE site .................................... 12  1.3  Objective of the study........................................................................................................ 15  2.  METHODOLOGY ................................................................................................... 16  3.  CONCEPTUAL MODEL ....................................................................................... 17  3.1  Boundary and Initial Conditions .................................................................................. 17  3.2  Description of Heterogeneity ........................................................................................ 18  4.  MODEL DESCRIPTION ....................................................................................... 22  4.1  Flow Model ............................................................................................................................ 22  4.2  Transport Model I : Advective‐Dispersive Model ................................................. 22  4.3  Transport Model II : Dual‐Domain Mass Transfer Model .................................. 24  5.  NUMERICAL MODEL FEATURES ................................................................... 26  5.1  Basic Flow and Transport Parameters ...................................................................... 26  5.2  Determination of Mass Transfer Coefficients ......................................................... 27  5.3  The Random Walk Particle Tracking Method ......................................................... 29  6.  SIMULATION RESULTS ..................................................................................... 32  6.1  Particle Cloud Evolution .................................................................................................. 32  6.2  Integrated Mass Distribution with Longitudinal Distance................................ 35  6.2.1  Mass transfer VS No Mass transfer .................................................................... 36  6.2.2  Comparison between literature values of mass transfer rate  coefficients ..................................................................................................................................... 37 
  • 4. 4    6.2.3  Comparison between homogeneity and heterogeneity of mass  transfer rate coefficients .......................................................................................................... 38  6.2.4  Change of slope in the Bajracharya & Barry (1997) model .................... 39  6.2.5  Zonification of the capacity coefficient ............................................................ 40  7.  CONCLUSIONS ....................................................................................................... 43  8.  REFERENCES ......................................................................................................... 44                             
  • 5. 5    LIST OF FIGURES    Figure 1 Macrodispersion Experiment (MADE) site location (after Boggs et al., 1992). ....... 8  Figure  2  Geological  model  of  the  MADE  site  interpreted  by  geophysical  surveys  (after  Bowling et al., 2005). ........................................................................................................................................... 9  Figure 3 Three‐dimensional view of the monitoring network at the MADE site. Vertical  lines indicate the locations of the flowmeters. Circles indicate multilevel sampler locations  (after Feehley et al., 2000). ................................................................................................................................ 9  Figure  4    a)  Multilevel  sampling  network  with  tracer  injection  point  at  the  origin  of  coordinates (after Boggs et al., 1992); b) Locations of the 62 fully penetrating wells for  flowmeter tests (after Salamon et al., 2007). .......................................................................................... 10  Figure 5 Observed tritium plume at 328 days after injection (after Bowling et al., 2006). 11  Figure 6 Longitudinal concentration profiles of the Tritium plume and predictions using  the macrodispersion model and the mass transfer model (after Harvey & Gorelick, 2000).  .................................................................................................................................................................................... 12  Figure  7  Results  of  simulations  using  the  mass  transfer  transport  model  and  three  different K representations (after Bowling et al., 2006). .................................................................... 14  Figure 8 Mass transfer conceptual model for describing solute transport at large scales. 15  Figure 9  Scheme of the conceptual model with the aerial view of the initial position of the  tracer plume 27 days after injection. .......................................................................................................... 17  Figure 10 Hydraulic conductivity profile derived from borehole measurements at well K‐ 12 (after Boggs et al., 1992). ........................................................................................................................... 18  Figure 11  Directional horizontal variogram and fitted model with hole effect for the ln K  flowmeter data (after Salamon et al., 2007). ........................................................................................... 19  Figure  12  Frequency  distribution  and  univariate  statistics  of  the  2495  flowmeter  measurements (after Salamon et al., 2007). ............................................................................................ 20  Figure 13  Realization # 26 of the hydraulic conductivity field. .................................................... 21  Figure 14  Stochastic distribution of the hydraulic conductivity values for the realization #  26. .............................................................................................................................................................................. 21  Figure  15  Results  of  simulations  using  the  advection‐dispersion  transport  model  and  three different K representations (after Bowling et al., 2006). ........................................................ 23  Figure 16 Cross – section visualization of the tracer plume 328 days after injection using  hydraulic  conductivity  field  realization  #  26:  a)  with  homogeneous  α;  b)  with  heterogeneous α. ................................................................................................................................................. 33 
  • 6. 6    Figure  17  Aerial  visualization  of  the  tracer  plume  328  days  after  injection  for  each  hydraulic conductivity field realization: A) # 7; B) # 19; C) # 26; D) # 47; E) # 56; F) # 80.  .................................................................................................................................................................................... 34  Figure 18 Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium  plume and simulations using dual – domain mass transfer or advective – dispersive model.  .................................................................................................................................................................................... 36  Figure 19  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium  plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  mass  transfer  rate  coefficients. ............................................................................................................................................................ 37  Figure 20 Comparison chart between observed mass distribution profile of  the Tritium  plume and simulations using mass transfer model with heterogeneous values or the same  value of mass transfer rate coefficient. ...................................................................................................... 38  Figure 21 Comparison chart between observed mass distribution profile of  the Tritium  plume and simulations using mass transfer models with different terms in the correlation  model between average pore – water velocity and mass transfer rate coefficients. .............. 39  Figure 22 Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium  plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  capacity  coefficients  along downgradient distance. ....................................................................................................................... 40  Figure 23 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection  and  six  predictions  using  classical  advection‐dispersion  model  for  each  hydraulic  conductivity field realization. ........................................................................................................................ 41  Figure 24 Longitudinal mass distribution profile of the Tritium plume 328 after injection  and  six  predictions  using  dual  –  domain  mass  transfer  model  for  each  hydraulic  conductivity field realization. ........................................................................................................................ 42     
  • 7. 7    ABSTRACT  Several  natural  gradient  field  tracer  tests  have  been  conducted  in  the  last  decades  to  gain  understanding  on  the  mechanisms  governing  subsurface  solute  transport.  Among  them,  the  Macro‐Dispersion  Experiment  (MADE)  site,  which  is  distinguished  for  being  representative  of  a  highly  heterogeneous system, has been the most controversial one for revealing an  important anomalous behavior in the shape of the tracer plume, i.e., highly  asymmetric  spreading  of  the  plume  with  high  concentrations  maintained  near  the  source  and  a  far  and  dilute  reaching  front  of  the  plume.  Many  conceptually  different  transport  models  have  been  developed  that  can  partially  explain  this  behavior.  In  particular,  transport  models  with  rate‐ limited mass transfer processes have been claimed to better reproduce this  behavior  as  opposed  to  macrodispersion  caused  by  heterogeneity  in  hydraulic conductivity. Recently, a new stochastic model of the MADE aquifer  (Salamon  et  al.,  2007)  has  shown  that,  when  small  –  scale  variability  of  hydraulic conductivity is correctly modeled at the flowmeter measurement  support  scale,  the  advection  –  dispersion  simple  model  is  capable  of  reproducing much of the anomalous tracer spreading at the MADE site. The  objective of this Master thesis is to assess the relative importance of mass  transfer  processes  at  the  MADE  site.  To  achieve  this,  we  extend  Salamon’s  model  to  include  mass  transfer  processes.  Sensitivity  analyses  of  the  mass  transfer model parameters show the interplay between Darcy – scale mass  transfer and (lnK) heterogeneity. Remarkably, significant improvement in the  plume shape characteristics is obtained when a direct relationship between  the characteristic times of mass transfer and advective processes is included  in the model. 
  • 8. 8    1. INTRODUCTION  1.1 Description of the Macrodispersion Experiment (MADE)  The field data used for this study are from the MADE site at the Columbus Air  Force Base in northeastern Mississippi (Figure 1). The shallow aquifer which  immediately underlies the site consists of an alluvial terrace deposit with an  average  thickness  of  11  m  and  is  characterized  by  a  high  degree  of  heterogeneity (variance of the natural logarithm on hydraulic conductivity of  about 4).   Based  on  resistivity  data  and  additional  information  obtained  from  other  geophysical methods such as ground penetrating radar, Bowling et al. (2005)  divided  the  MADE  site  into  four  stratigraphic  units:  1)  an  upper  layer  of  meandering fluvial sediments, 2) an upper‐middle layer with gravelly sands  deposited by a braided fluvial system, 3) a layer associated with fine sands  and silts of the Eutaw Formation (Eutaw Sand), and 4) a layer associated with  the high clay content of the Eutaw Formation (Eutaw Clay).  The  top  two  units  were  deposited  by  a  meandering  fluvial  system  and  braided fluvial system respectively, while the lower two units are part of the  marine  Eutaw  Formation  (Figure  2).  According  to  Bowling  et  al.  (2005),  stratigraphy of the second unit consists of multiple lenticular bodies on the  Figure  1  Macrodispersion  Experiment  (MADE)  site location (after Boggs et al., 1992). 
  • 9. 9    order of 5 – 10 m in length; this unit represents the main aquifer at the MADE  site  and  accounts  for  the  considerable  heterogeneities  in  hydraulic  conductivities that have been reported.   An array of 258 multilevel samplers consisting of a network of approximately  6000 sampling points (Figure 4a) was built for monitoring the tracer plume  in  three  dimensions.  Whereas  the  spatial  distribution  of  hydraulic  conductivity  at  the  test  site  was  determined  from  2495  measurements  of  conductivity obtained from borehole flowmeter tests performed in 62 fully  penetrating  wells  (Figure  4b).  A  comprehensive  three‐dimensional  view  of  the whole sampling network is given in Figure 3.  Figure  2  Geological  model  of  the  MADE  site  interpreted  by  geophysical  surveys (after Bowling et al., 2005).  Figure  3  Three‐dimensional  view  of  the  monitoring  network  at  the  MADE  site. Vertical  lines  indicate  the  locations  of  the  flowmeters.  Circles  indicate multilevel sampler locations (after Feehley et al., 2000). 
  • 10. 10    Two field‐scale macrodispersion experiments were conducted to carry out a  complete  hydraulic  characterization  of  the  aquifer  and  to  execute  a  tracer  injection and plume tracking program.   MADE‐2  represents  the  second  large‐scale  natural‐gradient  tracer  experiment conducted at Columbus Air Force Base. The field study started in  June 1990 and was carried out during the following 15 months performing  detailed field observations of the transport of tritiated water.  The method of injecting the tracer solution into the aquifer was designed for  producing a uniform pulse release of tracers into approximately the middle  of the saturated zone with the minimal amount of disturbance of the natural  flow field. In order to do that, a total volume of 9.7 m3 of tracer solution was  injected  through  a  linear  –  five  –  well  array  during  approximately  2  days  registering a maximum increase in hydraulic head within the injection wells  Figure 4  a) Multilevel sampling network with tracer injection point at the origin of coordinates (after Boggs et al., 1992); b) Locations of the 62 fully penetrating wells for flowmeter tests (after Salamon et al., 2007). 
  • 11. 11    of 0.45 m. The injection fluid had a tritium concentration of 55’610 pCi/mL  and the total injected mass (activity) was 0.5387 Ci. Each injection well was  screened over a 0.6 m interval between elevations 57.5 m and 58.1 m a.m.s.l.  (Boggs et al., 1992).   After  328  days  since  the  injection  took  place,  the  two  clearest  features  showed by the tracer plume observations, were:  • the  strong  asymmetry  of  the  concentration  distribution  in  the  longitudinal dimension;  • a highly variable mass balance during the experiment.  In  fact,  from  studies  conducted  at  more  homogeneous  aquifers,  like  the  Borden or the Cape Cod sites, it would be predicted that the plume would  have traveled a considerable distance from the injection area 328 days after  the  start  of  injection.  However,  the  location  with  the  maximum  observed  concentration of approximately 3800 pCi/mL was less than 6 m away from  the injection location (Figure 5). This may be explained by the fact that the  aquifer is extremely heterogeneous and the injection wells are  located in a  zone  with  relatively  low  hydraulic  conductivity  acting  as  a  tracer  trap  (Feehley et al., 2000).  Figure 5 Observed tritium plume at 328 days after injection (after Bowling et al., 2006).
  • 12. 12    1.2 Literature review of previous models at the MADE site  Till  now  many  numerical  models  attempted  to  explain  the  extreme  non‐ Gaussian  behavior  of  the  tracer  plume  at  the  MADE  site.  Amongst  all  the  following ones deserve a special attention.  Harvey & Gorelick (2000) stated in their paper that a combination of physical  nonequilibrium  mass  transfer  (molecular  diffusion  into  and  out  of  low  permeability areas) and chemical sorption could better explain the behavior  of the plumes at the Columbus Air Force Base than a macrodispersion model  alone (Figure 6).   Moreover, they asserted that declining mobile mass and extreme asymmetric  spreading,  were  both  evidences  of  transport  subject  to  rate‐limited  mass  transfer,  in  the  case  when  the  capacity  coefficient  (ratio  of  immobile  to  mobile mass at equilibrium) was large and the timescale of mass transfer was  similar  to  the  timescale  of  the  experiment.  In  fact,  they  suggested  that  diffusional mass transfer might have been significant in the Columbus aquifer  because three main criteria were met: 1) the plume was observed over the  timescale  similar  to  the  timescale  of  diffusion  in  and  out  of  the  low  conductivity  zones,  2)  diffusion  was  dominating  advection  within  the  low  Figure 6 Longitudinal concentration profiles of the Tritium plume and predictions using  the  macrodispersion  model  and  the  mass  transfer  model  (after Harvey & Gorelick, 2000). 
  • 13. 13    conductivity zones, and 3) advection was dominating diffusion through the  high conductivity zones.  A  complementary  study  was  led  by  Feehley  et  al.  (2000)  where  a  dual  –  domain mass transfer model was compared with the Advection – Dispersion  Equation  (ADE)  accounting  two  methods  of  hydraulic  conductivity  interpolation,  ordinary  kriging  and  conditional  geostatistical  simulation  based  on  fractional  Brownian  motion.  The  results  showed  that  tracer  spreading  using  ADE  was  not  modeled  correctly  with  neither  of  the  two  heterogeneous fields. The authors attribute this to the fact that preferential  flow  pathways,  which  strongly  influenced  asymmetric  tracer  spreading,  might exist at a scale smaller than the grid spacing. To overcome this inability  they suggested the use of a dual‐domain approach which, after calibrating the  immobile porosity and the mass transfer rate, was able to recreate the non‐ Gaussian shape of the tracer plume.  Berkowitz and Scher (1998) also analyzed the MADE site experiment using  the  continuous  time  random  walk  formalism.  They  compared  the  field  experiment  with  the  dominant  aspects  of  anomalous  solute  transport  in  fracture  networks.  Characterizing  key  features  of  fracture  properties  and  mapping  them  on  probability  distributions,  the  spatial  distribution  of  the  plume  concentration  as  well  as  breakthrough  curves  can  be  calculated  analytically using the continuous time random walk approach. Comparing the  results of the fracture network to the MADE site Berkowitz and Scher (1998)  demonstrate that time dependent anomalous as, i.e., non‐Gaussian transport  also exists in other geological formations than rock fractures. They conclude  that when mapping preferential flow paths and high flow variability of the  heterogeneous aquifer at the Columbus Air Force Base to a series of channels  or “fractures” tracer transport can be reproduced using the continuous time  random walk method.  Another explanation of the failure to model correctly the tracer experiment  was given by Barlebo et al. (2004). Their paper introduced the possibility that  the  small‐scale  flowmeter  measurements  were  too  noisy  and  possibly  too  biased to use so directly in site‐scale models and that the hydraulic head and  transport measurements were more suitable for site‐scale characterization. 
  • 14. 14    Therefore  they  suggested  using  a  finite  element  three‐dimensional  inverse  flow  and  transport  model  to  overcome  the  inaccuracy  of  flowmeter  measurements,  concluding  that  the  macrodispersion  model  is  still  able  to  reproduce the extensive plume spreading.  A more recent attempt to model the MADE site tracer plume using the mass  transfer model was presented by Bowling et al. (2006). The intent of these  authors  was  to  demonstrate  that  a  highly  heterogeneous  aquifer  could  be  modeled  properly  with  minimal  hydrological  data  supplemented  with  geophysical data. Thus, in order to test the validity of their  approach, they  used many geophysically derived hydraulic conductivity representations to  compare the macrodispersion model (Figure 15) to the mass transfer model  (Figure 7).  To conclude this issue, the last work to be cited is the one of Salamon et al.  (2007),  whose  end  was  to  highlight  the  importance  of  generating  high  –  resolution  hydraulic  conductivity  fields  on  the  basis  of  a  detailed  geostatistical analysis. They concluded that, when small – scale variability of  hydraulic conductivity is correctly modeled at the flowmeter measurement  support scale, the ADE is capable of reproducing the tracer spreading at the  MADE site and that the heterogeneity at that scale is the main contributor to  the anomalous plume behavior.  Figure 7 Results of simulations using the mass transfer transport model and three  different K representations (after Bowling et al., 2006). 
  • 15. 15    1.3 Objective of the study  After  revising  the  previously  cited  works  we  found  that  the  normalized  Tritium  mass  profile  still  has  not  been  well  reproduced,  in  particular  regarding two aspects:  • the steepness of the tail slope;  • the presence of an unexpected second peak at the front of the plume.  The goal of this study consisted of studying the relative importance of Darcy‐ scale mass transfer model as an alternative upscaled model (Figure 8) at the  macrodispersion experiment, in order to better reproduce the non‐Gaussian  behavior of the Tritium plume.  To achieve this objective we compared the advection‐dispersion model with  a single‐rate mass transfer model and, according to the study of Salamon et  al.  (2007),  we  took  into  account  6  of  the  80  sequential  realizations  of  the  hydraulic  conductivity  field  in  order  to  depict  several  possible  scenarios.  These  realizations  were  chosen  because  they  seemed  to  be  the  ones  best  reproducing the plume mass distribution.  Figure  8  Mass  transfer  conceptual  model  for  describing  solute transport at large scales. 
  • 16. 16    2. METHODOLOGY  The  study  started  with  the  conceptualization  of  the  flow  model,  fixing  the  boundary conditions of the domain system and the initial concentration of  the tracer mass injected, as well as selecting 6 different realizations of the  hydraulic  conductivity  field  among  the  80  already  existing  in  the  paper  of  Salamon  et  al.  (2007).  These  hydraulic  conductivity  fields  were  useful  to  observe the variation of the simulation results depending on each realization  and independently of the choice of the model grid or the potential incapacity  of the ADE to simulate anomalous transport.  Afterward,  through  an  additional  FORTRAN  program,  the  binary  file  originated by the MODFLOW model containing the intracell flow rates for the  whole domain’s grid was converted to a GSLIB format file where flow rates  were  transformed  into  pore‐water  velocity.  Subsequently,  through  the  Bajracharya & Barry (1997) model, the pore‐water velocity was correlated to  the  mass  transfer  coefficient  α.  This  task  allowed  studying  the  velocity  –  dependence of the mass transfer rate coefficient.  Then a comparison between a constant – α model and a heterogeneous – α  model  was  performed  to  demonstrate  that  a  heterogeneous  field  of  mass  transfer  rate  coefficients  could  explain  much  better  the  observed  tracer  plume behavior than a model using the same coefficient on the whole domain  (Figure 20).  Furthermore we proceeded with a trial and error estimation of the values for  the intercept and slope terms of the model by Bajracharya & Barry (1997), so  that  we  could  achieve  a  better  adjust  to  the  observed  tracer  mass  distribution.  The  last  section  of  the  work  consisted  of  a  comparative  process  between  many simulation results through a semi – logarithmic graphic of normalized  mass distribution with distance from the injection point. As it will be showed  in the following chapters, that class of graphic represented the best way to  highlight the extreme asymmetric spreading of the observed tracer plume. 
  • 17. 17    3. CONCEPTUAL MODEL  3.1 Boundary and Initial Conditions  Dirichlet condition of specified head was fixed at x = 0 m and x = 280 m since  a  natural  gradient  flow  system  at  steady  state  regime  was  considered,  whereas Neumann conditions of no flow were set at y = 0 m, y = 100 m (y‐ axis parallel to flow lines), z = 0 m and z = 10.5 m. Specified heads at the  northern and southern boundaries were interpolated from average heads of  1‐year observations using ordinary kriging.  For  the  transport  model,  boundary  conditions  of  zero  –  mass  –  flux  were  fixed  at  all  boundaries  except  for  the  northern  and  southern  boundaries,  where the solute could exit freely out of the model domain.  As  initial  concentration  for  the  tracer  plume,  the  mass  distribution  for  the  27th day was employed (Figure 9), because of the complexity of reproducing  specific  local  conditions  as,  e.g.,  well  characteristics,  hydraulic  head  cone  Figure 9  Scheme of the conceptual model with the aerial view of the initial position of the tracer plume 27 days after injection.   
  • 18. 18    during injections, etc., which the tracer injection is generally subject to. Then,  with the purpose of using the mentioned snapshot as starting point within  the  transport  model,  the  tracer  concentration  was  spatially  interpolated in  the aquifer and a total of 50’000 particles were proportionally assigned to  each cell (Salamon et al., 2007).    3.2 Description of Heterogeneity  The most important feature that differentiates the MADE site aquifer from  previous  natural  gradient  experiments,  like  the  Cape  Cod  or  the  Borden  aquifers,  is  its  important  degree  of  heterogeneity  in  the  hydraulic  conductivity field. Rehfeldt et al. (1992) reported that the overall variance of  the natural logarithm of hydraulic conductivity estimated from the borehole  flowmeter measurements was 4.5 (Figure 12). This result indicates that the  alluvial aquifer at the Columbus site is approximately 1 order of magnitude  more  heterogeneous  than  the  aquifers  at  the  Borden  and  Cape  Cod  sites,  where the variances measured were 0.29 and 0.26 respectively.  The flowmeter derived hydraulic conductivity profile in Figure 10 illustrates  the extreme heterogeneity of the aquifer.  Figure  10  Hydraulic  conductivity  profile  derived  from borehole  measurements  at  well  K‐12  (after  Boggs et al., 1992). 
  • 19. 19    Although the statistical section has not been treated extensively in this work,  the study of the plume evolution requires a good knowledge of the hydraulic  conductivity  field  through  which  the  solute  is  moving.  However,  as  full  knowledge of aquifer properties is not possible, many different equally likely  aquifer realizations were realized. Among 80 realizations, we analyzed 6 of  them,  corresponding  on  the  best  performance  based  on  the  advective  and  dispersive transport mechanisms (Salamon et al., 2007).  Based  on  the  work  of  Salamon  et  al.  (2007),  these  6  realizations  of  the  hydraulic conductivity spatial distribution were obtained through stochastic  simulation  of  random  fields  as  a  variogram  model  consisting  of  a  nested  structure  and  a  so  called  “hole  effect”  model  (Figure  11).  Hole  effect  structures are used to indicate a form of periodicity, e.g., lenses of high/low  conductivity,  which  is  a  common  spatial  characteristic  in  sedimentary  geology.  Figure 11  Directional horizontal variogram and fitted model with hole effect for the ln K flowmeter data (after Salamon et al., 2007). 
  • 20. 20           Table 1  Univariate statistics of the hydraulic conductivity fields.  Model  mean ln K (cm/s) variance ln K  Flowmeter Measurements ­5.35  4.245  Realization # 7  ‐5.1589  5.3814  Realization # 19  ‐4.914  4.754  Realization # 26  ‐4.8234  4.6195  Realization # 47  ‐5.229  4.54  Realization # 56  ‐5.343  4.969  Realization # 80  ‐5.2897  5.166  Figure  12  Frequency  distribution  and  univariate  statistics  of  the  2495 flowmeter measurements (after Salamon et al., 2007). 
  • 21. 21    The conductivity field realizations were saved in the GSLIB format so that it  was  possible  to  visualize  them  in  SGeMS  software  (Figure  13)  and  to  represent the whole values by a histogram summarized by the mean and the  variance (Figure 14).    Figure 13  Realization # 26 of the hydraulic conductivity field.  Figure  14    Stochastic  distribution  of  the  hydraulic  conductivity  values  for  the realization # 26.
  • 22. 22    4. MODEL DESCRIPTION  4.1 Flow Model  Groundwater flow within the aquifer was modeled using a three‐dimensional  block‐centered  finite  difference  code,  using  a  model  domain  with  280  columns, 110 rows and 70 layers (2’156’000 nodes covering a total volume of  280 x 110 x 10.5 m3). The grid spacing is then 1 x 1 x 0.15 m.  Since  the  attention  was  focused  on  the  influence  of  the  heterogeneity  of  hydraulic  conductivity  in  the  longitudinal  mass  distribution  profile,  we  considered  sufficient  to  simulate  the  flow  at  steady  state  conditions  in  a  confined  system  using  the  MODFLOW  code.  Yet,  it  is  recognized  the  possibility that a transient regime of flow may had been affecting the three –  dimensional picture of the tracer cloud.    4.2 Transport Model I : Advective­Dispersive Model  The  classical,  Fickian  advection‐dispersion  transport  equation  for  conservative tracers is:  ( )ij i s s i j i C C D q C q C t x x x θ θ ⎛ ⎞∂ ∂ ∂ ∂ = − +⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠             [1]  where C [ML‐3] is the solute concentration, θ is the porosity, t is time, Dij is the  hydrodynamic dispersion tensor [L2T‐1], qi is the Darcy flux, while qs and Cs  are the Darcy flux and concentration respectively of the fluid sink/source.  The  advection  –  dispersion  equation  describes  the  transport  of  a  conservative  solute  (non  –  reactive).  Therefore  simple  interaction  phenomena  like  retardation  coefficients  or  coupling  with  geochemical  models are not considered.  This  equation  expresses  that  the  dispersion  of  a  tracer  plume  around  its  center of mass can be compared to a diffusion mechanism; thus we refer to  Fickian,  diffusive  or  even  Gaussian  dispersion.  Such  dispersion  is  characterized by some coefficients that are measured both on laboratory and 
  • 23. 23    field. Several tracer experiments and theoretical studies (e.g., Matheron and  de Marsily, 1980; Gelhar, 1993) show that:  • depending  on  the  tracer  experiment  scale,  dispersion  coefficients  are  different;  • at a given scale, dispersion coefficients increase with the distance from  injection point.  This  scale‐dependent  behavior  (also  sometimes  referred  to  as  “pre‐ asymptotic”  or  “non‐Gaussian”)  is  what  we  shall  refer  to  as  “non‐Fickian”  transport. Other evidence of non‐Fickian behavior lies in the often observed  “unusual” early breakthrough, and “unusual” long late time tails, in measured  breakthrough curves.  Due to this deficiency, advection‐dispersion simulations fail to reproduce the  low concentrations of tritium observed at distances much greater than 100 m  from the injection point, although they generally explain the observed peak  concentrations (Figure 15) (Bowling et al., 2006).      Figure  15  Results  of  simulations  using  the  advection‐dispersion  transport  model and three different K representations (after Bowling et al., 2006). 
  • 24. 24    4.3 Transport Model II : Dual­Domain Mass Transfer Model  In  order  to  overcome  these  deficiencies  in  representing  the  tail  of  breakthrough curves, alternative transport models have been promoted. For  instance,  an  alternative  to  the  single  –  porosity  advection  –  dispersion  equation  is  the  dual  –  porosity  or  dual  –  domain  mass  transfer  model,  as  given below for conservative tracers:    ( )m im m m im m ij i m s s i j i C C C D q C q C t t x x x θ θ θ ⎛ ⎞∂ ∂ ∂∂ ∂ + = − +⎜ ⎟⎜ ⎟∂ ∂ ∂ ∂ ∂⎝ ⎠           [2]  where θm is the porosity of the “mobile” domain, denoting pore spaces filled  with  mobile  water,  θim  is  the  porosity  of  the  “immobile”  domain,  denoting  pore spaces filled with immobile water, Cm [ML‐3] is the solute concentration  in  the  mobile  domain,  and  Cim  [ML‐3]  is  the  solute  concentration  in  the  immobile domain.  With the dual – domain model the aquifer is conceptualized as consisting of  two overlapping domains, a mobile domain in which transport is dominated  by advection and an immobile domain in which transport is mostly driven by  molecular  diffusion.  For  this  reason  the  dual  –  domain  approach  gives  a  plausible  explanation  of  the  mass  overestimation  at  early  times  and  underestimation at late times (Feehley et al., 2000).  Typically this model defines the rate of change of solute concentration within  the immobile zone as:    ( )im im m im C C C t θ α ∂ = − ∂                     [3]                                  where  α  is  a  first‐order  rate  coefficient  which  controls  the  rate  at  which  solute  moves  between  immobile  and  mobile  domains.  The  larger  the  rate  constant α is, the faster transport occurs between the mobile and immobile  zones for a given concentration difference.     Another important term for treating the dual – domain model is the term β  [dimensionless],  which  is  the  “capacity  coefficient”,  equal  to  the  ratio 
  • 25. 25    between tracer mass in the immobile zone and the mass in the mobile zone at  equilibrium:                              [4]                                The capacity coefficient relates to the total porosity as follows:                            [5]    This dual – domain mass transfer model can be generalized to account for  multiple mass transfer processes occurring simultaneously. In this case, the  transport  equation  is  known  as  the  multi  –  rate  mass  transfer  model.  The  model  describes  mass  transfer  between  a  mobile  zone  and  any  number  of  immobile  zones,  and  is  coupled  with  the  advective  –  dispersive  transport  model for solute transport.                                 im m θ β θ = 1 m φ θ β = +
  • 26. 26    5. NUMERICAL MODEL FEATURES  5.1  Basic Flow and Transport Parameters  An average total porosity of 0.32 was used for the entire model area, which  corresponds to the value determined from the soil cores collected at the test  site (Boggs et al., 1990). A value of 0.1 m was assigned to the longitudinal  dispersivity and the ratios of the transverse and vertical dispersivities to the  longitudinal dispersivity were fixed at 0.1. Additionally an apparent diffusion  of 1.0 cm2/day was chosen for Tritium according to Gillham et al. (1984).    Table 2  Input parameters for solute transport model.    Parameter  Simulation 1  Simulation 2  Simulation 3  Θm  0.04  0.04  0.04; 0.008; 0.22  Θim  0.28  0.28  0.28; 0.312; 0.122  β  7.0  7.0  7.0; 39; 0.62  ln K Realization  26  26  26  α(days­1)  constant, 0.02  variable1,      A= ‐ 0.61; B= 1.5 variable1,      A= ‐ 0.61; B= 1.5 Longitudinal  Dispersivity (m)  0.1  0.1  0.1  Transverse  Dispersivity (m)  0.01  0.01  0.01  Total porosity  0.32  0.32  0.32  Courant number  0.0125  0.0125  0.0125    (1) log(tα) = A + B * log(tad)  (2) first, second and third zone 
  • 27. 27    5.2  Determination of Mass Transfer Coefficients  As  it  has  been  introduced  in  chapter  4.3,  the  dual  –  domain  mass  transfer  model  expresses  a  solute  mass  interchange  between  two  overlapping  domains, a mobile domain and an immobile one. Subsequently there is the  need to determine mass transfer rate coefficients that control this change of  solute concentration within both domains.  Many papers (i.e. Brusseau, 1992; Bajracharya and Barry, 1997; Griffioen et  al.,  1998)  found  that  the  first‐order  rate  coefficient  α  [T‐1]  changes  approximately linearly with average pore‐water velocity ν.  Two physical explanations underlie the mechanism that correlates α with ν.  The first process believed to control the relationship between α and ν is the  advection through low – K zones. Zinn and Harvey (2003) show that α varies  linearly with ν 1) if high – K regions are spatially connected, 2) if the variance  and spatial scale of K heterogeneity fall in a range where tailing occurs, and  3) if transport into low – K regions is not controlled by diffusion.  Zinn and  Harvey  conclude  that  advection  into  low  –  K  areas  may  create  tailing  that  cannot  be  explained  by  a  Fickian  macrodispersion  model  in  fields  with  connected  high  –  K  paths,  even  though  these  fields  have  conventional  univariate  lognormal  histograms and  covariance  functions  (Haggerty  et  al.,  2004).  The second, less accounted explanation for the relationship between α and ν  is  that  the  mass  transfer  model  does  not  adequately  characterize  the  underlying physics of mass transfer. An example of this theory  is given by  Glueckauf (1955) and Rao et al. (1980), who show that when a simple linear  mass  transfer  model  is  used  to  approximate  diffusion  into  spheres,  the  effective α changes with the duration of the experiment.  For the purpose of this study we considered advection through low – K zones  as the predominant process within the Columbus aquifer, so we accounted  the  Bajracharya  and  Barry  (1997)  model  as  the  best  one  to  reproduce  the  correlation between mass transfer rate coefficient and average pore – water  velocity. This model is based on experiments conducted in two columns of 
  • 28. 28    different lengths with a design such that mass transfer was expected to be  dominated by advection.  The results from Bajracharya and Barry’s experiments showed that log tα is  better correlated to log tad than log v, and the relation of tα to residence time  is not related to column length. As a matter of fact it was demonstrated that  the  strongest  tailing  in  an  experiment  is  always  due  to  the  mass  transfer  process  with  approximately  the  same  timescale  as  advection  through  he  system. Bajracharya and Barry (1997) model formulates this proportionality  between  “mass  transfer  time”  tα  and  “advection  time”  tad  through  the  following equation:    log log adt tα = Α + Β⋅                       [6]  where the intercept term A = ‐ 0.61 and the slope term B = 1.10.  First  of  all  we  know  that,  for  a  first‐order  single‐rate  mass  transfer  model  (Haggerty  et  al.,  2004),  the  characteristic  residence  time  in  the  immobile  zone or “mass transfer time”, tα [T], is:    1 tα α =                                      [7]  We also know that the characteristic residence time in the mobile zone or  “advection time”, tad [T], is:  ad x t v ∆ =                                               [8]             
  • 29. 29    5.3 The Random Walk Particle Tracking Method  We  consider  the  movement  of  water  and  chemical  species  (i.e.,  tracers)  moving  through  a  geological  formation.  Clearly,  heterogeneities  occur  on  a  broad range of scales in most geological formations. These heterogeneities  can consist of fractures (joints and/or faults), variations in  the rock matrix  (e.g.,  grain  sizes,  mineralogy,  layering,  and  lithology),  and/or  large‐scale  geological structures. Under an external pressure gradient, the velocity and  flux  distributions  are  determined  by  the  liquid  properties  and  by  the  structure  of  the  aquifer  heterogeneities.  Tracer  particles  (representing  the  contaminant  mass)  transported  within  the  water  move  through  the  formation  via  different  paths  with  spatially  changing  velocities.  Different  paths  are  traversed  by  different  numbers  of  particles.  Typically,  heterogeneous  systems  show  a  broader  distribution  of  velocities  than  homogeneous systems. This reasoning represents the conceptual basis of the  random walk particle tracking method (RWPTM).  The  RWPTM  consists  in  moving  a  cloud  of  solute  particles  advectively  according to the flow path lines and adding a random displacement for each  time step to simulate dispersion. Its main advantages are the nonexistence of  numerical  dispersion,  computational  efficiency,  and  local  as  well  as  global  mass conservation (Salamon et al., 2006). In fact, this modeling approach was  designed  mainly  to  avoid  the  numerical  dispersion  that  might  be  affecting  solute  transport  simulations  owing  to  the  addition  of  mass  transfer  processes.  In the study of  Salamon et al. (2006), the concept of transition probability  was  drew  on  the  context  of  continuous  time  Markov  chains,  denoting  the  probability that a process presently in state i will be in state j a time t later.  Using  this  principle  in  particle  tracking  and  provided  that  we  know  the  transition probability function, we can determine if a particle is in the mobile  phase  after  a  time  step  ∆t  by  performing  a  simple  Bernoulli  trial  on  the  appropriate phase transition probability. 
  • 30. 30    In more detail, the evolution in time of each representative particle is driven  by  a  drift  term  that  relates  to  the  advective  movement  and  a  superposed  Brownian motion responsible for dispersion. The displacement of a particle  in a given ∆t step is calculated as follows:  ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 2, ,p p p pt t t t t t t t+ ∆ = + ∆ + ⋅ ∆Χ Χ Β Χ Β Χ ξ           [9]   where  Xp(t)  is  the  particle  position,  B1  is  the  “drift”  vector,  B2  the  displacement  matrix,  and  ξ(t)  is  a  vector  of  independent,  normally  distributed  random  variables  with  zero  mean  and  unit  variance.  B1  corresponds to:  1 mR + ∇⋅ = v D Β                     [10]  and the displacement matrix B2 is related to the dispersion tensor according  to the following relationship:  2 2 2 T mR = ⋅ D Β Β                     [11]  After  having  described  the  spatial  evolution  of  a  particle  through  equations  [9],[10], and [11], the random walk method can easily incorporate any mass ‐  transfer  process  by  performing  a  simple  Bernoulli  trial  on  the  appropriate  particle  transition  probability  distribution  between  the  mobile  domain  and  any  immobile  domain  (Salamon  et  al.,  2006).  The  transition  probability  stochastic matrix was found as:  ( )1 exp t− ⎡ ⎤= ∆⎣ ⎦Ρ Α Β                   [12]  where  11 11 1 1 00 00 0 0 N j j Nj N N N α β αα αα β αα β = − ⎛ ⎞− ⎜ ⎟ −⎜ ⎟ = ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ∑ Α Β                  [13] 
  • 31. 31    Having  calculated  the  phase  transition  probabilities,  numerical  implementation  into  particle  tracking  is  done  easily.  For  each  time  step  a  uniform [0; 1] random number Y is drawn for each particle and is compared to  the corresponding probability.  The state of a particle being in the mobile phase is adjusted according to:  ( ) mobile if immobile if m m p m m Y P t t Y P → → <⎧ + ∆ = ⎨ ≥⎩ Χ            [14]    For a particle being located in the immobile phase the final state is adjusted as  follows:  ( ) immobile if mobile if im im p im im Y P t t Y P → → <⎧ + ∆ = ⎨ ≥⎩ Χ           [15]    Having finished the trial, a particle is only allowed to move when being in the  mobile phase. 
  • 32. 32    6. SIMULATION RESULTS    6.1 Particle Cloud Evolution  One of RW3D’s main output files is the rw3d_part_evol.dat, a TECPLOT – input  format which includes the spatial coordinates of the whole tracer plume after  a previously selected time step. Some simulations of the plume distribution  328 days after tracer injection for different conductivity field realizations are  presented in Figure 17.  It can be seen from these pictures that this kind of representation may help  visualizing  the  first  impact  of  the  hydraulic  conductivity  field  on  the  evolution of the contaminated plume. Nevertheless it’s not useful to observe  the  results’  variation  owing  to  the  trial  and  error  phase  of  the  simulation  process. In fact, after having chosen one of the six conductivity realizations,  we  proceeded  testing  the  sensitivity  of  the  mass  transfer  parameters;  however we didn’t detect such an important change in the plume’s shifting  (Figure  16),  as  we  could  see  through  the  semi  –  logarithmic  chart  of  the  longitudinal integrated mass distribution profile presented in the following  issue. 
  • 33. 33    b)  a)  Figure  16  Cross  –  section  visualization  of  the  tracer  plume  328  days  after injection using hydraulic conductivity field realization # 26: a) with homogeneous α; b) with heterogeneous α. 
  • 34. 34                              A)  B)  C)  D)  E)  F)  Figure 17 Aerial visualization of the tracer plume 328 days after injection for  each hydraulic conductivity field realization: A) # 7; B) # 19; C) # 26; D) # 47; E) # 56; F) # 80. 
  • 35. 35    6.2 Integrated Mass Distribution with Longitudinal Distance  For  easier  comparison  between  the  simulated  plumes  and  the  observed  Tritium  plume,  we  analyzed  all  the  simulation’s  results  through  the  same  “Normalized  Tracer  Mass  versus  Distance  from  Injection  Point”  chart.  In  order to do that, the model domain has been divided into 28 zones with a 10  – meter – interval along the general flow direction (the y – axis). Then, after  integrating concentrations laterally and vertically along the y – axis, the 1‐D  mass profile 328 days after tracer injection was normalized by the total mass  injected so that the resulting area under each model curve is equal to 1.  Through this visualization we could notice at a glance which simulation was  better reproducing the observed mass distribution and where were the most  significant  discrepancies  with  the  simulated  mass  distribution.  Moreover,  after considering realization # 26 as the best performing for the simulation of  mass  distribution,  we  decided  calibrating  mass  transfer  parameters  employing always this hydraulic conductivity field realization.                       
  • 36. 36    6.2.1 Mass transfer VS No Mass transfer    The first attempt to model the Tritium mass distribution consisted of testing  the  macrodispersion  model  using  the  traditional  Advection  –  Dispersion  Equation  in  order  to  compare  its  resulting  curve  with  the  predictions  corresponding to the Dual – Domain Mass Transfer Model.  The  transport  and  mass  transfer  parameters  employed  for  this  first  simulation are reported in Table 2.   The mass transfer coefficient α selected for the represented simulation was  0.02,  corresponding  to  the  harmonic  mean  of  the  whole  values  within  the  heterogeneous field computed according to the Bajracharya & Barry (1997)  model.  The weak divergence of the DDMT curve from the ADE one is probably due to  the high value of α (0.02 days‐1) which implies high rates of mass transfer  between mobile and immobile zones and does not lead to a clear effect of the  solute retention by the immobile zone.  A more general view of this comparison for all six realizations is reported in  Figures 23 and 24.  Figure 18   Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium plume  and  simulations  using  dual  –  domain  mass  transfer  or  advective  – dispersive model. 
  • 37. 37    6.2.2 Comparison  between  literature  values  of  mass  transfer  rate  coefficients    For  this  second  step  of  the  calibration  process  we  took  into  account  two  values  of  α  which  were  previously  used  in  the  literature  by  Feehley  et  al.  (2000);  subsequently  we  analyzed  their  effect  on  the  simulation  curve  in  comparison with the mass transfer rate coefficient used in simulation 1.  From this chart we can appreciate the physical meaning of the mass transfer  coefficient  α;  in  fact  we  can  observe  that,  while  the  shape  of  the  mass  distribution  profile  keeps  the  same,  the  mass  concentration  within  the  central zone of the aquifer decreases proportionally with the value of α. This  is due to the fact that a decrease of α leads to an increase of mass transfer  time causing a slowdown of the solute mass flow.        Figure 19  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium plume  and  simulations  using  mass  transfer  model  with  different  mass transfer rate coefficients. 
  • 38. 38    6.2.3 Comparison between homogeneity and heterogeneity of mass  transfer rate coefficients    After comparing a range of values for the mass transfer rate coefficient α, we  evaluated the effect of a heterogeneous field of  α’s compared to a constant  value over the whole domain.  The heterogeneity of α was reproduced using the already cited Bajracharya &  Barry (1997) model with its original values of intercept A and slope B.  This  step  gave  not  much  positive  results,  for  this  reason  we  passed  to  the  next step of the calibration process.                      Figure 20  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium plume and simulations using mass transfer model with heterogeneous values or the same value of mass transfer rate coefficient. 
  • 39. 39    6.2.4 Change of slope in the Bajracharya & Barry (1997) model  Here we proceeded calibrating the slope term within the Bajracharya & Barry  (1997) model and finally we selected the value of 1.5 instead of the original  value of 1.10 (Table 2).  We  can  notice  from  this  chart  the  strong  sensitivity  of  the  slope  value,  in  comparison with the parameter α which does not cause such a variation in  the  curve  profile  by  changing  from  0.0033  to  0.0016  day‐1.  Moreover  it  is  evident  the  improvement  of  the  model  for  what  concerns  the  tailing  reproduction  (clear  appearance  of  two  peaks)  although  the  peak  corresponding to the 200 – meter distance from the injection point is not well  simulated yet, at least not in the right position.  Another positive result of this prediction is the better resolution of the slope  of the tail, quite more horizontal than the previous one.   As  a  further  intent  to  reduce  the  tracer  mass  after  the  first  peak  we  also  decreased the intercept term from – 0.61 to – 0.061 in order to reduce more  α and the solute concentration within the immobile zone.  Figure 21  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium  plume and simulations using mass transfer models with different terms in the  correlation  model  between  average  pore  –  water  velocity  and  mass  transfer rate coefficients. 
  • 40. 40    6.2.5 Zonification of the capacity coefficient    A further attempt to improve the normalized tracer mass curve focused the  attention on the position of the anomalous peak at the end of the plume tail.  With the aim of reproducing this crest more shifted to the front of the plume  we subdivided the aquifer along the y – axis into three sections of different  capacity coefficient corresponding to 0 – 50 m, 50 – 160 m, and 160 – 280 m.  Thus, assigning a different multiplier to the mobile porosity at each zone, we  obtained three zones of porosity within the aquifer.  In the chart presented above we assigned a multiplier of 0.2 to the 2nd zone,  and a multiplier of 5 to the 3rd zone, while the porosity values of the first zone  were left the same (Table 2).          Figure 22  Comparison chart between observed mass distribution profile of the Tritium plume  and simulations using mass transfer model with different  capacity coefficients along downgradient distance. 
  • 43. 43    7. CONCLUSIONS  The Macro‐Dispersion Experiment (MADE) site has been highly controversial  for  showing  an  important  anomalous  behavior  in  the  shape  of  the  tracer  plume. Many conceptually different transport models have been developed  that can partially explain this behavior. Among them, remarkably, Salamon’s  model [2007] has demonstrated that the main plume characteristics, i.e. non‐ Gaussianity  of  the  concentration  profile,  should  be  attributed  to  aquifer  heterogeneity  (spatial  variation  in  hydraulic  conductivity).  This  model  did  not include Darcy‐scale mass transfer processes that are believed to occur at  the test site.   In this work we have evaluated the relative importance of Darcy‐scale mass  transfer processes at the MADE site. To do this, we modified Salamon’s model  to incorporate Darcy‐scale mass transfer processes represented through an  additional  source/sink  term  in  the  classical  advection‐dispersion  equation.  For simplicity, the single‐rate mass transfer model was selected. Our study  only  considers  the  six  successful  stochastic  realizations  of  the  hydraulic  conductivity field from Salamon et al. (2007).   We found that the new dual – domain mass transfer model seemed to offer a  more  plausible  interpretation  of  the  anomalous  behavior  of  the  Tritium  plume as it improves the prediction of the tracer front profile. In particular,  the interplay between mass transfer processes and tracer velocity has been  shown  to  be  significant.  When  a  positive  correlation  between  the  solute  residence  time  in  the  immobile  domain  and  mobile  domain  exist,  the  longitudinal profile of the tracer mass in the aquifer exhibited the presence of  a double peak.  
  • 44. 44    8. REFERENCES  Bajracharya,  K.,  &  Barry,  D.  A.  (1997).  Nonequilibrium  solute  transport  parameters  and  their  physical  significance:  Numerical  and  experimental  results. Journal of Contaminant Hydrology , 24, 185‐204.  Barlebo,  H.  C.,  Hill,  M.  C.,  &  Rosbjerg,  D.  (2004).  Investigating  the  Macrodispersion Experiment (MADE) site in Columbus, Mississippi, using a  three‐dimensional  inverse  flow  and  transport  model.  Water  Resources  Research , 40 (W04211), doi:10.1029/2002WR001935.  Berkowitz, B., & Scher, H. (1998). Theory of anomalous chemical transport in  random fracture networks. Physical Review E , 57 (5), 5858‐5869.  Boggs, J. M., Beard, L. M., Long, S. E., & McGee, M. P. (1993). Database for the  Second  Macrodispersion  Experiment  (MADE‐2).  Electric  Power  Research  Institute.  Boggs, J. M., Young, S. C., & Beard, L. M. (1992). Field study of dispersion in a  heterogeneous  aquifer  ‐  1.Overview  and  site  description.  Water  Resources  Research , 28 (12), 3281‐3291.  Bowling, J. C., Rodriguez, A. B., Harry, D. L., & Zheng, C. (2005). Delineating  Alluvial Aquifer Heterogeneity Using Resistivity and GPR Data. Ground Water  , 43 (6), 890‐903.  Bowling, J. C., Zheng, C., Rodriguez, A. B., & Harry, D. L. (2006). Geophysical  constraints  on  contaminant  transport  modeling  in  a  heterogeneous  fluvial  aquifer. Contaminant Hydrology , 85, 72‐88.  Brusseau, M. L. (1992). Nonequilibrium transport of organic chemicals: The  impact of pore‐water velocities. Journal of Contaminant Hydrology , 353‐368.  Carrera,  J.,  Sánchez‐Vila,  X.,  Benet,  I.,  Medina,  A.,  Galarza,  G.,  &  Guimerà,  J.  (1998). On matrix diffusion: formulations, solution methods and qualitative  effects. Hydrogeology Journal , 178‐190. 
  • 45. 45    Feehley, C. E., & Zheng, C. (2000). A dual‐domain mass transfer approach for  modeling  solute  transport  in  heterogeneous  aquifers:  Application  to  the  Macrodispersion Experiment (MADE) site. Water Resources Research , 36 (9),  2501‐2515.  Gelhar,  L.  W.  (1993).  Stochastic  Subsurface  Hydrology.  Old  Tappan,  N.J.:  Prentice Hall.  Gillham, R. W., Robin, M. L., Dytynshyn, K. J., & Johnston, H. (1984). Diffusion  of  nonreactive  and  reactive  solutes  through  fine‐grained  barrier  materials.  Canadian Geotechnical Journal , 21, 117‐123.  Glueckhauf,  E.  (1955).  Theory  of  chromatography,  part  10,  Formulae  for  diffusion into spheres and their application to chromatography. Transactions  of the Faraday Society , 1540‐1551.  Griffioen, J. W., Barry, D. A., & Parlange, J. Y. (1998). Interpretation of two‐ region model parameters. Water Resources Research , 34 (3), 373‐384.  Haggerty,  R.,  &  Gorelick,  S.  M.  (1995).  Multiple‐rate  mass  transfer  for  modeling  diffusion  and  surface  reactions  in  media  with  pore‐scale  heterogeneity. Water Resources Research , 31 (10), 2383‐2400.  Haggerty, R., Harvey, C. F., von Schwerin, C. F., & Meigs, L. C. (2004). What  controls the apparent timescale of solute mass transfer in aquifers and soils?  A  comparison  of  experimental  result.  Water  Resources  Research  ,  40  (W01510).  Harvey,  C.,  &  Gorelick,  S.  M.  (2000).  Rate‐limited  mass  transfer  or  macrodispersion: Which dominates plume evolution at the Macrodispersion  Experiment (MADE) site? Water Resources Research , 36 (3), 637‐650.  Matheron, G., & de Marsily, G. (1980). Is transport in porous media always  diffusive? A counterexample. Water Resources Research , 16 (5), 901‐917.  Rao, P. S., Jessup, R. E., Rolston, D. E., Davidson, J. M., & Kilcrease, D. P. (1980).  Experimental and mathematical description of non‐adsorbed solute transfer 
  • 46. 46    by diffusion in spherical aggregates. Soil Science Society of America Journal ,  44 (4), 684‐688.  Rehfeldt, K. R., Boggs, J. M., & Gelhar, L. W. (1992). Field Study of Dispersion  in  a  Heterogeneous  Aquifer  3.  Geostatistical  Analysis  of  Hydraulic  Conductivity. Water Resources Research , 28 (12), 3309‐3324.  Salamon, P., Fernàndez‐Garcia, D., & Gómez‐Hernández, J. J. (2006). Modeling  mass  transfer  processes  using  random  walk  particle  tracking.  Water  Resources Research , 42 (W11417), doi:10.1029/2006WR004927.  Salamon, P., Fernàndez‐Garcia, D., & Gómez‐Hernández, J. J. (2007). Modeling  tracer transport at the MADE site: The importance of heterogeneity. Water  Resources Research .  Zinn,  B.,  &  Harvey,  C.  F.  (2003).  When  good  statistical  models  of  aquifers  heterogeneity go bad: A comparison of flow, dispersion, and mass transfer in  connected  and  multivariate  Gaussian  hydraulic  conductivity  fields.  Water  Resources Research , 39 (3).  Zinn,  B.,  Meigs,  L.  C.,  Haggerty,  R.,  Harvey,  C.  F.,  Peplinski,  W.  J.,  &  Von  Schwerin,  C.  F.  (2004).  Experimental  Visualization  of  Solute  Transport  and  Mass  Transfer  Processes  in  Two‐Dimensional  Conductivity  Fields  with  Connected  Regions  of  High  Conductivity.  Environ.  Sci.Technol.  ,  38,  3916‐ 3926.   
  • 47. 47    APPENDIX 1    The RW3D Code  The program is designed to calculate the following outputs according to the utility  of the study:  • Particle Breakthrough Curve;  • Cumulative Particle Breakthrough Curve;  • Particle Cloud Evolution;  • Particle Paths;  • Cartesian Spatial Moments;  • Spatial Moments of Particle Position at Control Planes;  • Particle Position at Control Planes;  • Dilution Index of Kitanidis;  • Radial Spatial Moments;  • Temporal Moments;  • Dispersivities from Control Planes.  The  input  file  is  divided  into  many  packages  accounting  for  the  parameters  in  brackets:  • Domain’s Geometry (grid’s spacing and boundary conditions);  • Time Discretization (constant move or constant time method);  • Advection (Eulerian or Exponential method, unitary flux, porosity);  • Dispersion  (longitudinal,  horizontal  transverse  and  vertical  transverse  dispersivity);  • Control Surfaces (wells or planes with  respective coordinates);  • Reactive Package (e.g. Reactive Power Law Distribution of Mass  Transfer,  Reactive  Multirate  Mass  Transfer,  Reactive  Equilibrium  Linear  Sorption,  Reactive Multirate Mass Transfer, Reactive Spherical Diffusion).