Modelling NAPL flow in porous media for geothecnical application

The idea of storing hydrocarbons in the subsoil was already practised during the First World War. This procedure almost always involved contamination of groundwater due to the leakage of the stored fluid. Also today, even with modern construction techniques, tanks are not absent from losses. The problems related to the leakage of hydrocarbons are increasingly important, especially in countries that largely rely on the groundwater for their supply of drinking water. In fact, the presence of a small concentration of this contaminant inside the water table can make it undrinkable, from an organoleptic point of view, while an higher concentration can make it toxic. For this reason, the implementation of "bentonite walls" around the storage unit is a common mitigation strategy to prevent hydrocarbon from reaching the water table. Because of their low permeability, "bentonite walls" are generally considered impermeable, but some experimental tests have shown that clay can react chemically with the hydrocarbons, thus changing its hydraulic properties, greatly increasing its permeability. For these reasons, in this thesis, the propagation of the pollutant within the soil has been studied, paying particular attention to the type of hydrocarbon and to the different types of soil. The physics that governs the flow within a sandy soil is known, so it has been possible to develop a mathematical model that well describes this phenomenon. On the other hand for clayey soils, given their chemical interaction with hydrocarbons, what happens in the structure of the ground is still not clear. It has then been given a physical explanation of the conflicting results obtained experimentally over the years by various authors. This is based on the double diffusion theory in order to clarify and to define what happens to the bentonite when is reached by hydrocarbon, at least at the qualitative level. Afterwards some numerical simulations have been performed through the COMSOL Multipysics program, using laboratory tests as benchmarks to validate them. Once completed a further study on the "Sensibility analysis" of the Van Genucthen parameters is carried on to better understand their relevance in the phenomenon.

L'idea di immagazzinare idrocarburi nel sottosuolo era già praticata durante la prima guerra mondiale. Questa procedura comportava quasi sempre la contaminazione delle acque sotterranee a causa della perdita del fluido immagazzinato. Anche oggi, nonostante le moderne tecniche di costruzione, i serbatoi non sono avulsi da perdite. I problemi legati alla fuoriuscita di idrocarburi acquisiscono un’importanza sempre maggiore, soprattutto nei paesi che si affidano in gran parte alle falde acquifere per la fornitura di acqua potabile. Infatti, la presenza di una piccola concentrazione di questo contaminante all'interno della falda acquifera può rendere l’acqua imbevibile, da un punto di vista organolettico, mentre una maggiore concentrazione può renderla tossica. Per questo motivo, l'implementazione di "pareti di bentonite" attorno all'unità di stoccaggio è una strategia di mitigazione comune per impedire agli idrocarburi di raggiungere la falda freatica. Grazie alla loro bassa permeabilità, infatti, sono generalmente considerate impermeabili. Tuttavia, alcuni test sperimentali hanno dimostrato che l'argilla può reagire chimicamente con gli idrocarburi, cambiando così le sue proprietà idrauliche e aumentando notevolmente la sua permeabilità intrinseca. Per queste ragioni, in questa tesi è stata studiata la propagazione dell'inquinante all'interno del suolo, prestando particolare attenzione alla tipologia di idrocarburo e ai diversi tipi di suolo. Per i terreni sabbiosi la fisica governante tale fenomeno è nota, pertanto è stato possibile sviluppare un modello matematico che descrive bene questo fenomeno. Per i terreni argillosi invece, a causa della loro interazione chimica con gli idrocarburi, ciò che accade nella struttura del terreno non è ancora chiaro. Pertanto, si è cercato di dare una spiegazione fisica ai risultati contrastanti ottenuti sperimentalmente nel corso degli anni da vari autori. Quanto fatto si basa sulla teoria del doppio strato, con lo scopo di chiarire e definire cosa succede alla bentonite quando viene raggiunta dall'idrocarburo, almeno a livello qualitativo. Successivamente sono state eseguite alcune simulazioni numeriche tramite il programma COMSOL Multipysics, utilizzando test di laboratorio come benchmark per convalidarle. Una volta completate, si è condotto un ulteriore studio sull'analisi di sensibilità dei parametri di Van Genucthen così da comprenderne meglio la loro rilevanza nel fenomeno.