Numerical Experiments on Flow and Transport of Various Surfactant Solutions in the Vadose Zone

Sebnem Boduroglu, Rashid Bashir

Dans les comptes rendus d’articles de la conférence: GeoEdmonton 2018: 71st Canadian Geotechnical Conference; 13th joint with IAH-CNC

Session: Geoenvironmental Engineering II

ABSTRACT: Surfactants exist in the subsurface either naturally or as a result of anthropogenic activities related to agriculture or soil/groundwater remediation. With climate change, greywater containing large amounts of surfactants is increasingly being used in the semi-arid and arid regions. Surfactants affect soil capillarity through surface tension and contact angle changes and thus alter flow and transport characteristics of the vadose zone. The research on how flow is affected by the surfactants is very limited. Most of the conceptual and numerical models assume that flow is independent of the solute concentration, which does not provide accurate representation of the flow and transport of surfactant solutions in the unsaturated zone. This research uses a modified version of unsaturated flow and transport code Hydrus 2D, which couples flow and transport by implementing concentration dependent capillarity effects. Infiltration characteristics and flow and transport of two different surfactant solutions in the vadose zone is simulated in this research. The flow and transport of surfactants is compared with flow of water and associated transport of a conservative solute. In both cases, surfactant solutions led to notable differences in comparison to pure water and conservative solute. The differences were result of surfactant induced pressure gradients and hysteretic behavior under monotonic flow conditions. Additionally, the results also indicate that the flow and transport of surfactants is not only dependent on concentration dependent capillarity effects but also on different sorption characteristics of the surfactants. The current research will help in enhancing our understanding of the flow, transport and fate of the surfactants in the vadose zone and their possible link to future environmental problems.

RÉSUMÉ: Les agents tensioactifs existent à la surface naturellement, ou à la suite d'activations anthropiques liées à l'agriculture ou à l'assainissement des sols et des eaux souterraines. Avec le changement climatique, les eaux grises contenant de grandes quantités de tensioactifs sont de plus en plus utilisées dans les régions semi-arides et arides. Les agents tensioactifs affectent la capillarité du sol par la tension de surface et les changements d'angle de contact et modifient ainsi les caractéristiques d'écoulement et de transport de la zone Vadose. La recherche sur la façon dont le flux est affecté par les tensioactifs est très limitée. La plupart des modèles conceptuels et numériques supposent que l'écoulement est indépendant de la concentration du soluté, ce qui ne fournit pas une représentation précise de l'écoulement et du transport des solutions tensioactives dans la zone non saturée. Cette recherche utilise et de transport Hydrus 2 edépendant de la concentration. Les caractéristiques d'infiltration et le débit et le transport de deux solutions différentes tensioactives dans la zone Vadose sont simulés dans cette recherche. L'écoulement et le transport des tensioactifs sont comparés avec le flux d'eau et le transport associé d'un soluté conservateur. Dans les deux cas, les solutions tensioactives ont conduit à des différences notables par rapport à l'eau pure et au soluté conservateur. Les différences résultent des gradients de pression induits par le tensioactif et le comportement hystérétique dans des conditions d'écoulement monotones. De plus, les résultats indiquent que l'écoulement et le transport des agents tensioactifs ne dépendent pas seulement des effets de capillarité dépendant de la concentration, mais également des différentes caractéristiques de sorption des agents tensioactifs. La recherche actuelle nous aidera à mieux co, le transport et le devenir des tensioactifs dans la zone Vadose et leur lien possible avec les problèmes environnementaux futurs.

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