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Sabokrouhiyeh, Nima (2018) Mass Transport Processes in vegetated wetlands-Optimal design of FWS wetlands. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The hydraulic efficiency of wetlands for wastewater treatment was investigated as a function of wetland shape and vegetation density using a 2D depth-averaged numerical model. First, the numerical model was calibrated and validated against field data and then was applied to 8 hypothetical wetlands of rectangular and elliptical shape and different aspect ratio (i.e. 1/1 to 4/1). The vegetation density was varied from 0 to 1000 stems m-2. The effect of inlet-outlet configuration was analyzed by simulating the hydraulic response of wetlands with different alignment of the flow inlet and outlet and wetlands with multiple inlets. The resulting Residence Time Distributions (RTDs) were derived from numerical simulations of the flow field and the temporal evolution of the outlet concentration of a passive tracer injected at the inlet. The simulated velocity field demonstrated that wetland shape can have significant impact on the size of dead zone areas, which is also reflected in the RTD. Efficiency metrics associated with detention time and degree of mixing improved for an elliptical shape compared to a rectangular shape. An ellipse shape improved the wetland performance by reducing the area of dead zones at the corners, and thereby increasing the effective wetland volume contributing to the treatment process. Configurations in which inlet and outlet were located at opposite corners of the wetland, and wetlands with multiple inlets produced smaller dead zones, which reduced the variance of the RTD. The simulation results also revealed an interesting threshold behavior with regard to stem density. For stem density above 300 stems m-2, which is typical of treatment wetlands, the model predictions were not sensitive to the exact value of stem density selected, which simplifies the parameterization of models.
The presence of heterogeneous vegetation patterns in constructed wetlands was also analyzed by numerical model to simulate flow, mass transport and contaminant removal in a conceptual free water surface (FWS) wetland with heterogeneous vegetation patterns. The main objectives were (1) to quantify the effectiveness of FWS wetlands of different vegetation patterns in reducing water contamination and, if possible, give such patterns a physical interpretation to increase the insight into the governing processes, and (2) to evaluate if there exists an optimum pattern that would maximize contaminant removal. First, the model was calibrated and validated against survey data from a wide variety of vegetated types, sizes, and shapes of large, shallow wetlands, and subsequently, simulations were performed for different random vegetation fields characterized by imposed statistical properties, including mean, variance and correlation length of the stem density distribution. The patterns were designed to mimic vegetation patterns that occur in natural wetlands. Results show that the concentration reduction efficiency increased monotonically with average stem density, whereas mass removal had a peak for an intermediate value of average stem density. The ensemble average of the total mass removal decreased for increasing stem density variance and correlation length, because the presence of vegetation patches, localized regions of high or low stem density, promoted preferential flow paths. In particular, preferential flow paths parallel to the mean flow direction were found to reduce the hydraulic efficiency of wetlands by producing short-circuiting, whereas, for the same mean stem density, alternating stripes of stem density perpendicular to the flow direction provide higher concentration and mass reduction efficiencies. The results provide guidance for designers of constructed wetlands by developing a quantitative understanding of the hydraulic impact of spatial heterogeneity in vegetation. This quantitative analysis of the effect of wetland shape, inlet-outlet configuration and vegetation distribution can help engineers to achieve more efficient and cost-effective design solutions for wastewater treatment wetlands.

Abstract (italian)

L'efficienza idraulica delle zone umide per il trattamento delle acque reflue è stata studiata in funzione della forma delle zone umide e della densità della vegetazione utilizzando un modello numerico bidimensionale mediato sulla verticale. In primo luogo, il modello numerico è stato calibrato e validato sulla base di dati sperimentali e quindi è stato applicato a 8 zone umide ipotetiche di forma rettangolare ed ellittica con differenti proporzioni (cioè da 1: 1 a 4: 1). La densità della vegetazione è stata variata da 0 a 1000 steli / m2. Inoltre è stato analizzatol 'effetto della configurazione dell'ingresso-uscita,simulando la risposta idraulica di zone umide con diversi allineamenti dell'ingresso e dell'uscita e di zone umide con più ingressi. Dalle simulazioni numeriche del campo di flusso e dall'evoluzione temporale della concentrazione di uscita di un tracciante passivo iniettato all'ingresso sono state ricavate le risultanti distribuzioni del tempo di residenza (RTD). Il campo di velocità simulato ha dimostrato che la forma delle zone umide può avere un impatto significativo sulle dimensioni delle zone morte, che si riflette anche nella RTD. Le metriche di efficienza associate al tempo di detenzione e al grado di miscelazione migliorano per una forma ellittica rispetto a una forma rettangolare. Una forma ad ellisse migliora le prestazioni delle zone umide riducendo l'area delle zone morte agli angoli, aumentando così il volume efficace che contribuisce al processo di trattamento. Le Configurazioni in cui l'ingresso e l'uscita erano situati agli angoli opposti della zona umida, e le zone umide con più ingressi producevano zone morte più piccole, che riducevano la varianza della RTD. I risultati delle simulazioni hanno anche rivelato un comportamento soglia interessante per quanto riguarda la densità dello stelo. Per densità di vegetazione oltre 300 steli / m2, che è tipica delle zone umide deputate al trattamento di acque reflue, le previsioni del modello non erano sensibili al valore esatto della densità di vegetazione, il che semplifica la parametrizzazione dei modelli.
anche La presenza di distribuzioni eterogenee di vegetazione nelle zone umide artificiali è stata analizzata mediante un modello numerico in grado di simulare il flusso, il trasporto di massa e la rimozione dei contaminanti in una zona umida concettuale a superficie libera (FWS). Gli obiettivi principali erano (1) quantificare l'efficacia delle FWS wetlands con diverse distribuzioni di vegetazione nel ridurre la contaminazione dell'acqua e, se possibile, dare a tali schemi un'interpretazione fisica per aumentare la conoscenza dei processi che li governano e (2) valutare se esiste un modello ottimale che massimizza la rimozione dei contaminanti. Innanzitutto, il modello è stato calibrato e validato rispetto a dati di indagine provenienti da un'ampia varietà di tipi, dimensioni e forme vegetate di vaste zone umide superficiali e successivamente sono state eseguite simulazioni per diversi campi random di vegetazione caratterizzati da proprietà statistiche imposte, tra cui media, varianza e lunghezza di correlazione della distribuzione della densità dello stelo. le distribuzioni di vegetazione sono state generate in modo da imitare le distribuzioni che si verificano nelle zone umide naturali. I risultati hanno mostrato che l'efficienza di riduzione della concentrazione aumentava monotonicamente con la densità di vegetazione media, mentre la rimozione di massa aveva un picco per un valore intermedio della densità di vegetazione media. La media di insieme della rimozione totale della massa diminuiva all'aumentare della varianza della densità di vegetazione e della lunghezza di correlazione, poiché la presenza di macchie di vegetazione, regioni localizzatecon densità di steli alta o bassa, promuoveva percorsi di flusso preferenziali. In particolare, è stato rilevato come percorsi di flusso preferenziali paralleli alla direzione media del flusso riducano l'efficienza idraulica delle zone umide producendo cortocircuiti, mentre, per la stessa densità media staminale, strisce alternate di densità dello stelo perpendicolari alla direzione del flusso forniscono maggiore concentrazione e efficienze di riduzione di massa. I risultati forniscono una guida per i progettisti di zone umide artificiali grazie allo sviluppo di una comprensione quantitativa dell'impatto idraulico dell'eterogeneità spaziale nella vegetazione. Questa analisi quantitativa dell'effetto della forma delle zone umide, della configurazione dell'ingresso e della distribuzione della vegetazione può aiutare gli ingegneri a realizzare soluzioni di progettazione più efficienti ed economicamente vantaggiose per le zone umide di trattamento delle acque reflue.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Marion, Andrea
Supervisor:Marion, Andrea
Ph.D. course:Ciclo 29 > Corsi 29 > INGEGNERIA INDUSTRIALE
Data di deposito della tesi:30 January 2018
Anno di Pubblicazione:10 January 2018
Key Words:wetlands, FWS, Shallow water model, Detention time, Dispersion, Vegetation, short-circuiting, random fields, water quality, Design.
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 08 - Ingegneria civile e Architettura > ICAR/01 Idraulica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Ingegneria Industriale
Centri > Centro per la Storia dell'Università  di Padova
Istituti > Istituto di Storia della Medicina
Codice ID:11090
Depositato il:15 Nov 2018 16:53
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