Assessing the influence of infiltration on the migration of light non-aqueous phase liquid in double-porosity soil media using a light transmission visualization method

Abstract

The influence of infiltration on the migration of a light non-aqueous phase liquid (LNAPL) in double-porosity soil using the light transmission visualization (LTV) technique is investigated. Two LNAPL volumes (low and high volumes) were exposed to two rainfall intensities (light and heavy infiltration). For comparison purposes, the experiments were also repeated by compacting the flow chamber with silica sand only to represent the single-porosity medium and to investigate the influence of double-porosity on LNAPL migration. High-resolution LTV images of the flow chamber during LNAPL injection and subsequent water infiltration events were collected. Results show that the LNAPL migration depth during injection and its migration velocity were both correlated to the LNAPL volume. Subsequent water infiltration events caused the LNAPL that was entrapped in the porous media to be pushed further downward in all the experiments. The LNAPL migration velocity was 1.1 and 1.6 cm/h for the low and high LNAPL spillage volumes for double-porosity experiments, respectively, a reduction rate of 64.7 and 70% compared to the LNAPL migration velocity during LNAPL injection, respectively. However, for single-porosity experiments, the LNAPL migration velocity was 0.7 and 1.2 cm/h for the low and high LNAPL volumes, respectively. Furthermore, it was observed that the capillary fringe level was depressed in the saturated zone due to the influence of both infiltration and LNAPL volume. This study demonstrates that the LTV technique is an accurate and cost-effective laboratory tool for the visualization of the time-dependent influence of infiltration on LNAPL migration in porous media.

Résumé

L’influence de l’infiltration d’eau sur la migration de liquide léger en phase non aqueuse (LNAPL) est étudiée, dans des milieux poreux à double porosité, au moyen d’une technique de visualisation par transmission de lumière (LTV). Deux volumes de LNAPL (petit et grand volumes) ont été exposés à deux intensités de pluie (faible et forte infiltrations d’eau). Dans un objectif de comparaison, les expériences ont aussi été répétées en remplissant la chambre d’écoulement avec seulement du sable siliceux compacté afin de représenter un milieu à porosité unique et pour étudier l’influence de la double porosité sur la migration de LNAPL. Des images LTV à haute résolution de la chambre d’écoulement ont été prises pendant l’injection de LNAPL et les événements d’infiltration d’eau ultérieurs ont été enregistrés. Les résultats montrent que la profondeur de migration du LNAPL pendant l’injection et sa vitesse de migration sont toutes deux corrélées au volume de LNAPL. Au cours de toutes les expériences, les événements d’infiltration d’eau ultérieurs ont eu pour effet de pousser encore plus vers le bas le LNAPL qui était piégé dans le milieu poreux. La vitesse de migration du LNAPL est respectivement de 1.1 et 1.6 cm/h pour les petit et grand volumes de LNAPL utilisés dans les expériences de milieu à double porosité, soit un taux de réduction de respectivement 64.7 et 70% par comparaison avec la vitesse de migration de LNAPL pendant l’injection. Cependant, dans les expériences avec milieu à porosité unique, la vitesse de migration du LNAPL est respectivement de 0.7 et 1.2 cm/h pour les petit et grand volumes de LNAPL. De plus, on observe que le niveau de la frange capillaire est déprimé dans la zone saturée à cause de l’influence à la fois de l’infiltration d’eau et du volume de LNAPL. Cette étude démontre que la technique de LTV est un outil de laboratoire précis et économique pour la visualisation, en fonction du temps, de l’influence de l’infiltration d’eau sur la migration de LNAPL en milieu poreux.

Resumen

Se investiga la influencia de la infiltración en la migración de un líquido liviano en fase no acuosa (LNAPL) en un suelo de doble porosidad utilizando la técnica de visualización de transmisión de luz (LTV). Dos volúmenes de LNAPL (volúmenes bajos y altos) fueron expuestos a dos intensidades de lluvia (infiltración suave e intensa). Para fines de comparación, los experimentos también se repitieron compactando la cámara de flujo con arena de sílice solo para representar el medio de porosidad única y para investigar la influencia de la doble porosidad en la migración de del LNAPL. Se recogieron imágenes LTV de alta resolución de la cámara de flujo durante la inyección de LNAPL y los eventos subsiguientes de infiltración de agua. Los resultados muestran que la profundidad de la migración de LNAPL durante la inyección y su velocidad de migración se correlacionaron con el volumen de LNAPL. Los sucesivos eventos de infiltración de agua provocaron que el LNAPL atrapado en los medios porosos se empujara más hacia abajo en todos los experimentos. La velocidad de migración de LNAPL fue de 1.1 y 1.6 cm/hr para los volúmenes de derrame de LNAPL bajos y altos para experimentos de doble porosidad, respectivamente, una tasa de reducción de 64.7 y 70% en comparación con la velocidad de migración de LNAPL durante la inyección de LNAPL, respectivamente. Sin embargo, para experimentos de porosidad única, la velocidad de migración de LNAPL fue de 0.7 y 1.2 cm/hr para los volúmenes de LNAPL alto y bajo, respectivamente. Además, se observó que el nivel de la franja capilar se redujo en la zona saturada debido a la influencia tanto de la infiltración como del volumen de LNAPL. Este estudio demuestra que la técnica LTV es una herramienta de laboratorio precisa y rentable para la visualización de la influencia dependiente del tiempo de la infiltración en la migración de LNAPL en medios porosos.

摘要

本文研究了利用透光显示技术评价入渗对双重孔隙土壤介质中轻非水相流体迁移的影响。两个轻非水相流体体积(低和高的体积)暴露于两种降雨强度(轻和重入渗)之下。为了对比,通过用硅砂压实水流室还对试验进行了重复,只是为了展现单一孔隙度介质以及研究双重孔隙度对轻非水相流体的影响。收集了轻非水相流体注入期间以及随后水入渗事件期间水流室高分辨率的透光显示图像。结果显示,注入期间轻非水相流体迁移深度及其迁移速度与轻非水相流体体积相关。在所有试验中,随后的水入渗事件导致包埋于孔隙介质中的轻非水相流体被进一步向下推进。在轻非水相流体低和高泄漏体积双重孔隙度试验中,轻非水相流体迁移速度分别为1.1 和 1.6 cm/hr,与轻非水相流体注入期间轻非水相流体迁移速度相比,分别减少了64.7和70%。然而,对于单孔隙度实验,在轻非水相流体低和高体积中,轻非水相流体迁移速度分别为0.7 和 1.2 cm/hr。此外,还观测到,由于入渗和轻非水相流体体积的影响,毛细边缘位置被压制到饱和带。本研究说明,透光显示技术是清楚展示入渗对孔隙介质中轻非水相流体迁移依赖于时间影响的一项精确和划算的试验室工具。

Resumo

A influência da infiltração na migração de um liquido em fase não-aquosa leve (LNAPL) em solo de dupla porosidade utilizando a técnica de visualização de transmissão leve (VTL) foi investigada. Dois volumes LNAPL (volumes baixo e alto) foram expostos à duas intensidades de precipitação (infiltração leve e pesada). Para propósito de comparação, os experimentos também foram repetidos pela compactação da câmara de fluxo com apenas areia sílica para representar um gradiente de porosidade simples e investigar a influência da porosidade dupla na migração LNAPL. Imagens VTL de alta resolução da câmara de fluxo durante a injeção LNAPL e os eventos de infiltração de água subsequente foram coletados. Os resultados mostram que a profundidade da migração LNAPL durante a injeção e a sua velocidade de migração foram ambas correlacionadas com o volume LNAPL. Eventos de infiltração de águas subsequentes causaram o LNAPL que foi aprisionado em meios de poros para ser empurrado depois em direção descendente em todos os experimentos. A velocidade da migração LNAPL foi 1.1 e 1.6 cm/hr para volumes de derrames LNAPL baixos e altos para experimentos de dupla porosidade, respectivamente, uma taxa de redução de 64.7 e 70% comparado a velocidade de migração LNAPL durante a injeção LNAPL, respectivamente. No entanto, para experimentos de porosidade simples, a velocidade de migração LNAPL foi 0.7 e 1.2 cm/hr para volumes LNAPL baixos e altos, respectivamente. Além disso, foi observado que ao nível da franja capilar foi deprimida na zona saturada devido a influência de ambos volumes LNAPL e infiltração. Esse estudo demonstra que a técnica VTL é uma ferramenta laboratorial de custo eficaz e precisão para a visualização da influência tempo-dependente da infiltração na migração LNAPL em meio poroso.