An Overview of Modeling in Earth Sciences; Inferences from the Environmental Geophysics Applications

Yıl 2024, Cilt: 67 Sayı: 4, 13 - 30, 28.07.2024

Ebru Şengül Uluocak , Emin Ulugergerli

https://doi.org/10.25288/tjb.1325550

Öz

In an earth science-related research study, while investigating geological or engineering problems, numerical modeling functions in two stages; i) prior to the fieldwork, obtaining the survey parameters (conceptual model), and ii) subsequent to the fieldwork, confirming the accuracy of the estimated subsurface structures with the help of the conceptual model. Although the numerical modeling process alone is not sufficient in both stages, it is possible to converge the numerical models into a realistic subsurface structure with additional information obtained from interdisciplinary studies.

In this article, a workflow is proposed employing modeling studies used in earth sciences. Environmental pollution studies carried out on a now-unused open waste disposal site in Çanakkale (Türkiye) are presented following this workflow. Accordingly, tomography measurements were made by using the electrical resistivity method along the profiles determined based on a conceptual model, and then a hypothetical two-dimensional (2D) combined solute transport model was produced by obtaining the porosity cross-section from the subsurface resistivity structure of the study area. The results show the spatial and temporal variation of pollution in the landfill during the years that geophysical measurements (i.e., 2004, 2008, and 2009) were taken, and the numerical modeling time (13,6 yrs). Besides, the numerical modeling results provide a conceptual model for future pollution studies in this area, with the length and depth of the possible survey profile (~40-250 m and 0-25 m, respectively). The results emphasize the importance of evaluating geophysical studies together with numerical models sensitive to the spatial and temporal spread of the pollution cloud emitted from a polluting source, such as an open dumpsite.

Anahtar Kelimeler

Conceptual model, Environmental pollution, Numerical modeling

Yer Bilimlerinde Modellemeye Genel Bir Bakış; Çevre Jeofiziği Uygulamalarından Çıkarımlar

Öz

Yer bilimleri ile ilgili bir araştırmada, jeolojik veya mühendislik problemlerini incelerken, modelleme çalışmaları iki aşamalı olarak işlev görmektedir; i) arazi çalışmasından önce ölçüm parametrelerinin elde edilmesi (kavramsal model) ve ii) arazi çalışmasından sonra, kavramsal model yardımıyla tahmini yeraltı modelinin doğruluğunun kontrol edilmesi. Sayısal modelleme süreci her iki aşamada da tek başına yeterli olmamakla birlikte, disiplinler arası çalışmalardan elde edilen ek bilgilerle sayısal modellerin gerçekçi bir yeraltı yapısına yakınsaması mümkündür.

Bu makalede yerbilimlerinde kullanılan modelleme çalışmaları ile ilgili bir iş akışı tanımlanmıştır ve Çanakkale (Türkiye) eski düzensiz katı atık depolama alanında gerçekleştirilen bir çevre kirliliği araştırması bu iş akışı takip edilerek sunulmuştur. Buna göre, kavramsal bir modele göre belirlenen doğrultularda elektrik özdirenç yöntemi ile tomografi ölçüleri alınmış, çalışma alanın yeraltı özdirenç yapısından gözeneklilik kesiti elde edilerek, varsayımsal iki boyutlu (2B) sayısal birleşik kirlilik iletim modeli üretilmiştir. Sonuçlar, jeofizik ölçümlerin yapıldığı yıllar (2004, 2008 ve 2009) ve sayısal modelleme zamanı (13,6 yıl) boyunca depolama sahasından kaynaklanan kirliliğin mekânsal ve zamansal değişimini göstermektedir. Ayrıca, sayısal modelleme sonuçları, olası araştırma profilinin uzunluğu ve derinliği ile (sırasıyla, ~40-250 m ve 0-25 m), ileride bu bölgede yapılabilecek kirlilik çalışmaları için kavramsal bir model sunmaktadır. Sonuçlar, açık atık depolama alanı gibi kirletici bir kaynaktan yayılan kirlilik bulutunun uzamsal ve zamansal yayılımına duyarlı sayısal modeller ve jeofizik çalışmaların birlikte değerlendirilmesinin önemini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

Çevre kirliliği, Kavramsal model, Sayısal modelleme

Kaynakça

• Aksakal, S. (2008). Katı atık depolama sahalarından toprak ve yeraltı suyuna olan sızıntıların elektrik özdirenç ve yapay uçlaşma yöntemleri ile araştırılması [Yayımlanmamış Lisans Tezi]. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Jeofizik Müh. Bölümü.
• Aktimur, H. T., Uysal, Ş., Tamgaç, Ö.F., Aktimur, S., Sarıaslan, M. ve Emre, Ö. (1993). Çanakkale İli’nin arazi kullanım potansiyeli raporu (Rapor no: 159). Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü (yayımlanmamış).
• Apweiler, R., Beissbarth, T., Berthold, M., … & Wolkenhauer, O. (2018). Whither systems medicine? Experimental & Molecular Medicine, 50, Article e453. https://doi.org/10.1038/emm.2017.290
• Archie, G. E. (1942). The electrical resistivity as an aid in determining some reservoir characteristics. Transactions of the AIME, 146, 54-62. https://doi.org/10.2118/942054-G
• Barker, R. D. (1990). Investigation of groundwater salinity by geophysical method. In S. H. Ward, (Ed.), Geotechnical and Environmental Geophysics, vol.2: Environmental and Groundwater, (pp. 201-212). Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, USA.
• Beşkardeş, G. D. (2009). Çanakkale katı atık depolama sahası için yeraltı suyu kirliliğinin modellenmesi. Uluslararası Deprem Sempozyumu (özet bildiri-poster, s. 89), 17-19 Ağustos, 2009, Kocaeli.
• Boonsakul, P., Buddhawong, S. & Wangyao, K. (2022). Optimization of multi-frequency electromagnetic surveying for investigating waste characteristics in an open dumpsite. Journal of the Air & Waste Management Association, 72(11), 1290-1306.
• Box, G, (1976). Science and stastistics. Journal of the American Statistical Association, 71(356), 791–799.
• Canıtez, N. (2003). Jeofizikte modelleme. Literatür Yayıncılık.
• Cumming, W. (2009). Geothermal resource conceptual models using surface exploration data. In: Thirty-Fourth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California.
• Deniz, O. (2005). Çanakkale yerleşim alanının yeraltı suyu kalitesinin incelenmesi [Yayımlanmamış Yüksek Lisans Tezi]. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Dimech, A., Cheng, L., Chouteau, M., Chambers, J., Uhlemann, S., Wilkinson, P., ... & Isabelle, A. (2022). A review on applications of time-lapse electrical resistivity tomography over the last 30 years: Perspectives for mining waste monitoring. Surveys in Geophysics, 43(6), 1699-1759. https://doi.org/10.1007/s10712-022-09731-2
• Ertekin, C. & Ulugergerli, E. U. (2022). Geoelectrical survey over perched aquifers in the northern part of Upper Sakarya River Basin, Türkiye. Journal of Groundwater Science and Engineering, 10(4), 335-352. https://doi.org/10.19637/j.cnki.2305-7068.2022.04.003
• Gelhar, L. W., Welty, C. & Rehfeldt, K. W. (1992) A Critical Review of Data on Field-Scale Dispersion in Aquifers. Water Resource Research, 28, 1955-1974. https://doi.org/10.1029/92WR00607
• Istok, J. (1989). Groundwater Modelling By The Finite Element Method. American Geophysical Union.
• Johnston, J.M., Pellerin, L. & Hohmann, G. W. (1992). Evaluation of Electromagnetic Methods for Geothermal Reservoir Detection. Geothermal Resources Council Transactions, 16, 241 – 245.
• Kaya, M. A., Özürlan, G. & Şengül, E. (2007). Delineation of soil and groundwater contamination using geophysical methods at a waste disposal site in Çanakkale, Turkey. Environmental Monitoring and Assessment, 135, 441–446. https://doi.org/10.1007/s10661-007-9662-x
• Karlık, G. & Kaya, M. A. (2001). The investigation of soil and groundwater pollution using geophysical methods in Isparta landfill. Environmental Geology, 40, 725–731.
• Loke, M. H. (2004) User’s manual for RES2DINV software. Geotomo Software.
• McNeill, J. D. (1990). Use of electromagnetic methods for groundwater studies. In S. H. Ward (Ed.), Geotechnical and Environmental Geophysics, (pp. 191–218), vol. 1. Society of Exploration Geophysicists, Tulsa, USA.
• Meju, M. A. (1994). Geophysical data analysis: understanding inverse problem theory and practice. In. S. N. Domenico (Ed.), Society of Exploration Geophysicists. Course Notes Series, No. 6.
• Meju, M. A. (2009). Regularized extremal bounds analysis (REBA): An approach to quantifying uncertainty in nonlinear geophysical inverse problems. Geophysical Research Letters, 36(3), Article L03304. https://doi.org/10.1029/2008GL036407
• Menke, W. (2018). Geophysical data analysis: Discrete inverse theory. Academic press.
• Ogilvy, R. D., Meldrum, P. I., Kuras, O., Wilkinson, P. B., Chambers, J. E., Sen, M., ... & Tsourlos, P. (2009). Automated monitoring of coastal aquifers with electrical resistivity tomography. Near Surface Geophysics, 7(5-6), 367-376.
• Olofsson, B, Jernberg, H. & Rosenqvist, H. (2006). Tracing leachates at waste sites using geophysical and geochemical modeling. Environ Geol., 49, 720–732.
• Oyeyemi, K. D., Aizebeokhai, A. P., Metwaly, M., Oladunjoye, M. A., Bayo-Solarin, B. A., Sanuade, O. A., Thompson C. E., Ajayi, F. S. & Ekhaguere, O. A. (2021). Evaluating the groundwater potential of coastal aquifer using geoelectrical resistivity survey and porosity estimation: A case in Ota, SW Nigeria. Groundwater for Sustainable Development, 12, Article 100488. https://doi.org/10.1016/j.gsd.2020.100488
• Özkıdık, H. (1995) Katı Atık Yönetiminde Belediyeler İçin Yöntem ve Maliyet Analizi, [Uzmanlık Tezi]. T.C Başbakanlık Devlet Planlama Teşkilatı Müsteşarlığı, Sosyal Sektörler ve Koordinasyon Genel Müdürlüğü, Ankara.
• Öztürk, İ., Onay, T. T., Çallı, B., Mertoğlu, B. & Yıldız, Ş. (2009). Sızıntı Suyu Yönetimi Ihtisas Komisyonu Taslak Çalışma Raporu. TC Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü, Ankara, Türkiye.
• Seyfert, A. (2009). Katı atık sahası, Çanakkale – Kuruçeşme, Katı Atık Sahası Gaz Pompalama Çalışması, SEF Energietechnik GmbH, Rapor, 26.
• Şengül, E. (2004). Çanakkale düzensiz katı atık depolama sahası yüzey ve yeraltı sularına etkisinin uygulamalı jeofizik yöntemlerle araştırılması [Yayımlanmış Yüksek Lisans Tezi]. Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
• Turing A, (1952). The chemical basis of morphogenesis. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, Biological Sciences, 237(641), 37-72.
• URL1 (2023, 01 Temmuz). https://www.geologieportal.ch/en/themes/fundamentals-of-geology/stratigraphy.html
• URL2 (2023, 01 Temmuz). https://cdn.britannica.com/91/172891-050-2093FD16/Fault-sandstone-strata.jpg
• URL3 (2023, 01 Temmuz). https://en.wikipedia.org/wiki/Chevron_%28geology%29
• Uyanık, O. (2019). Estimation of the porosity of clay soils using seismic P-and S-wave velocities. Journal of Applied Geophysics, 170, Artcile 103832. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2019.103832
• Wilkinson, P., Chambers, J., Uhlemann, S., Meldrum, P., Smith, A., Dixon, N. & Loke, M. H. (2016). Reconstruction of landslide movements by inversion of 4‐D electrical resistivity tomography monitoring data. Geophysical Research Letters, 43(3), 1166-1174.
• Witter, J. D. & Phillips, N. (2012). Integrated 3D geophysical inversion and geological modelling for improved geothermal exploration and drillhole targeting. GRC Transactions, 36, 831-834. https://publications.mygeoenergynow.org/grc/1030325.pdf
• Xu, M. & Eckstein, Y. (1995). Use of weighted least‐squares method in evaluation of the relationship between dispersivity and field scale. Groundwater, 33(6), 905-908.
• Zhdanov, M. S. (2002). Geophysical inverse theory and regularization problems. Vol. 36, Elsevier.
• Zheng, C. & Bennett, G. (1995). Applied Contaminant Transport Modelling: Theory and Practice. Wiley, pp. 464.