Risk analysis of ground water contamination detection networks, using stochastic modeling and decision theory

Abstract

The main objective of the thesis is to study the detection probability achieved by a linear arrangement of monitoring wells and to evaluate the risk of groundwater pollution, which is created in a very short time and comes from a point source within a control area. The study was conducted by creating a two-dimensional stochastic model based on the Monte Carlo framework, simulating transport and dispersion of groundwater pollution. The risk assessment is done within the decision framework on the restoration of the environmental damage. In addition risk evaluation, in terms of probability, in the performance of a monitoring wells system was conducted in relation to the delay in controlling pollution’s expansion. This research investigates the effect of the hydrogeological environment, the precipitation, the frequency of sampling and the delayed response in controlling subsurface pollution after a successful detection has been achieved, in the performance of a linear system of groundwater pollution monitoring wells.The main objectives of the thesis were:• The evaluation of the effect of the hydrogeological characteristics of the field (heterogeneity, dispersion coefficients), the size of the control area and the number of pollution sources in the successful detection probability of underground pollution from a linear array of monitoring wells. It was shown that the main factor affecting the detection of pollution was the field’s dispersion.• The evaluation of the effect of sampling frequency on the probability of successful detection of groundwater pollution. Sampling must take place at least twice a year, depending on the field’s dispersion.• The determination of the probability of groundwater pollution detection from a linear arrangement of monitoring wells, which originates from repeated incidents of pollution that are associated with precipitation and runoff in a period of 30 years.• The evaluation of the delay response in the remediation of groundwater pollution in relation to the performance of monitoring wells network, where it was shown that delay in controlling pollution after successful detection is equivalent to performance degradation of the monitoring facility.• The study of the effect of the above factors in the decision making process for monitoring and remediation of underground pollution from a surveillance area (landfills, underground storage tank, underground pipelines).

Ο κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη και η εκτίμηση ρίσκου της πιθανότητας ανίχνευσης ρύπανσης των υπόγειων νερών, η οποία δημιουργείται σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα και προέρχεται από μια σημειακή πηγή εντός μιας περιοχής ελέγχου. Η μελέτη έγινε με τη δημιουργία ενός δισδιάστατου στοχαστικού μοντέλου μεταφοράς και διασποράς ρύπανσης υπόγειων υδάτων βασισμένο στην τεχνική Monte Carlo. Η εκτίμηση ρίσκου γίνεται μέσα στο πλαίσιο λήψης απόφασης για την αποκατάσταση της περιβαλλοντικής ζημιάς και του τρόπου που επηρεάζεται η απόδοση, με όρους πιθανότητας, ενός συστήματος πηγαδιών παρακολούθησης υπόγειας ρύπανσης από την καθυστέρηση ελέγχου της επέκτασης της ρύπανσης. Στη διατριβή διερευνήθηκε η επίδραση του υδρογεωλογικού περιβάλλοντος, της βροχόπτωσης, της συχνότητας δειγματοληψίας καθώς και της καθυστερημένης επέμβασης, μετά την επιτυχή ανίχνευση υπόγειας ρύπανσης, στην απόδοση ενός γραμμικού συστήματος πηγαδιών επιτήρησης υπόγειας ρύπανσης. Οι βασικοί στόχοι της διδακτορικής διατριβής ήταν:•Η αξιολόγηση της επίδρασης των υδρογεωλογικών χαρακτηριστικών του πεδίου (ετερογένεια, συντελεστής διασποράς), της περιοχής ελέγχου και του αριθμού των πηγών ρύπανσης στην πιθανότητα επιτυχούς ανίχνευσης υπόγειας ρύπανσης από μια γραμμική διάταξη πηγαδιών παρακολούθησης, όπου φάνηκε ότι ο κύριος παράγοντας επίδρασης στην ανίχνευση της ρύπανσης είναι η διασπορά του πεδίου.•Η αξιολόγηση της επίδρασης της συχνότητας δειγματοληψίας στην πιθανότητα επιτυχούς ανίχνευσης υπόγειας ρύπανσης, όπου ανάλογα με τη διασπορά του πεδίου πρέπει να πραγματοποιείται τουλάχιστον δύο φορές το χρόνο.•Ο προσδιορισμός της πιθανότητας ανίχνευσης υπόγειας ρύπανσης από μια γραμμική διάταξη πηγαδιών παρακολούθησης, η οποία προέρχεται από επαναλαμβανόμενα περιστατικά ρύπανσης τα οποία συσχετίζονται με την απορροή κατακρημνισμάτων, σε βάθος χρόνου 30 ετών. •Η αξιολόγηση της καθυστέρησης του ελέγχου και της αποκατάστασης της υπόγειας ρύπανσης σε σχέση με την απόδοση του δικτύου πηγαδιών παρακολούθησης, όπου δείχτηκε ότι καθυστέρηση στον έλεγχο της ρύπανσης μετά από επιτυχή ανίχνευση ισοδυναμεί με υποβάθμιση της απόδοσης των διατάξεων πηγαδιών παρακολούθησης ρύπανσης. •Η μελέτη της επίδρασης των παραπάνω παραγόντων κατά τη διαδικασία λήψεως απόφασης για τον έλεγχο και την αποκατάσταση υπόγειας ρύπανσης που προέρχεται από μια επιτηρούμενη περιοχή (ΧΥΤΑ, υπόγεια δεξαμενή, υπόγειοι αγωγοί μεταφοράς).