SCBR: um estudo comparativo da simulação do fluxo subterrâneo e do transporte de contaminantes com soluções analíticas e modelos numéricos

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental, Florianópolis, 2019.

Modelos matemáticos são ferramentas importantes no processo de tomada de decisão do gerenciamento de áreas contaminadas. O modelo matemático SCBR, não comercial, desenvolvido em parceria entre a UFSC e a Petrobras, é um modelo de fluxo, transporte, avaliação de risco e técnicas de remediação para auxiliar no gerenciamento de áreas contaminadas. O objetivo geral deste trabalho foi avaliar o modelo SCBR na simulação do fluxo subterrâneo e do transporte e transformação de contaminantes com base em um estudo comparativo com modelos analíticos e numéricos comerciais. Para tal, foram concebidos modelos genéricos 1-D e 2-D, para comparar os resultados do SCBR com soluções analíticas, e os modelos numéricos MODFLOW e MT3DMS, ambos comerciais e amplamente utilizados no mundo. A partir de um modelo genérico, foram realizados testes entre os modelos avaliados. Esses testes propiciaram a análise comparativa da distribuição espacial do potencial hidráulico, da velocidade intersticial da água subterrânea, assim como da concentração de um contaminante (benzeno) devido à advecção e dispersão hidrodinâmica. Além disso, também foi avaliada a dispersão numérica, a concentração em função do tempo de simulação e distância da fonte, a geometria da pluma de contaminação e o balanço de massa dissolvida do benzeno no domínio de simulação. Na avaliação do fluxo, o modelo SCBR apresentou diferenças percentuais (%) inferiores a 10-2, portanto, resultados considerados equivalentes aos modelos analíticos e ao modelo MODFLOW. Na avaliação dos processos de transporte e transformação do benzeno, o SCBR também apresentou resultados adequados quando comparado ao MT3DMS (REQM na ordem de 10-2), ainda que a dispersão numérica tenha sido superior. Por último, para a avaliação do balanço de massa, os resultados do SCBR também foram semelhantes ao MT3DMS.

Abstract : Mathematical models are important tools in assessment and management of contaminated sites in the subsurface. This study focuses on the evaluation of the SCBR numerical groundwater flow and contaminant transport code, developed by Petrobras and UFSC, in a view of numerous applications to be carried out at their own sites. We developed generic 1-D and 2-D homogeneous models to compare results of SCBR with analytical solutions and widely used worldwide MODFLOW and MT3DMS numerical codes. We put an emphasis on spatial distributions of hydraulic head, interstitial velocity, as well as concentration due to advection, and hydrodynamic dispersion. Finally, we evaluated the numerical dispersion, length of a simulation period and a distance from the contamination source concentration along with the plume geometries and contaminant mass balance. In groundwater flow simulations the SCBR code demonstrated equivalent results to analytical solutions and MODFLOW, with percentage difference (%) lower than 10-2. In contaminant transport simulations SCBR showed satisfactory results with the RMSE lower than 10-2, but larger numerical dispersion when compared with MT3DMS. We attributed this discrepancy to different numerical schemes used by the codes. In the mass balance evaluation, the SCBR code presented similar results to MT3DMS.