contaminant simulation in the soil and water fileanalytical solution •persamaan kontaminan untuk...

23
CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER JEFRI FERLIANDE Technology and Environmental Management

Upload: lykiet

Post on 14-Aug-2019

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER

JEFRI FERLIANDE

Technology and Environmental Management

Page 2: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Contaminant transport equation in the soil can be

solved by partial differential equation:

𝐷𝑥

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2− 𝑣𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝜕𝐶

𝜕𝑡

If condition involves adsorption effects, it relates

with retardation factor, so the equation is:

𝐷𝑥

𝑅

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2−

𝑣𝑥

𝑅

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝜕𝐶

𝜕𝑡

Page 3: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Solutions for Contaminant Transport in the

Soil

•Analytical Solution

•Numerical Solution

• Explicit

• Implicit

• Implicit using Crank Nicolson Method

Page 4: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Important Things

•Deciding condition of contaminant, steady

or unsteady

•Deciding :

• Initial Condition

• Boundary Condition

Page 5: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Analytical Solution

• Sangat berguna sebagai prakiraan pertama atas

penyebaran kontaminan

• Bermanfaat untuk verifikasi model misalnya dari

solusi numerik

• Dapat diterapkan pada kondisi yang lebih heterogen

• Dapat mengakomodasi reaksi kontaminan antara

kontaminan dengan tanah atau transformasi

kontaminan dalam dalam air yang mengikuti reaksi

yang tidak sederhana

Numerical Solution

Page 6: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Analytical Solution

• Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D

menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961)

• Jika dipengaruhi oleh faktor Retardasi (Bear, 1972)

𝐶 𝑥,𝑡

𝐶0=

1

2𝑒𝑟𝑓𝑐

𝐿 − 𝑣𝑥𝑡

2 𝐷𝑥𝑡+ 𝑒𝑥𝑝

𝑣𝑥𝐿

𝐷𝑥𝑒𝑟𝑓𝑐

𝐿 + 𝑣𝑥𝑡

2 𝐷𝑥𝑡

𝐶(𝑥,𝑡) =𝐶0

2𝑒𝑟𝑓𝑐

𝑅𝑥 − 𝑣𝑥𝑡

2 𝑅𝐷𝑥𝑡+ 𝑒𝑥𝑝

𝑣𝑥𝑥

𝐷𝑥𝑒𝑟𝑓𝑐

𝑅𝑥 + 𝑣𝑥𝑡

2 𝑅𝐷𝑥𝑡

Page 7: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 8: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 9: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 10: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 11: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Numerical Methods using Finite Difference

Forward Difference Approximation:

𝜕𝐶

𝜕𝑡=

𝐶𝑖,𝑗𝑛+1 − 𝐶𝑖,𝑗

𝑛

∆𝑡

Backward Difference Approximation:

𝜕𝐶

𝜕𝑡=

𝐶𝑖,𝑗𝑛 − 𝐶𝑖,𝑗

𝑛−1

∆𝑡

Backward Difference Approximation:

𝜕𝐶

𝜕𝑡=

𝐶𝑖,𝑗𝑛+1 − 𝐶𝑖,𝑗

𝑛−1

2∆𝑡

Page 12: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Explicit Solution

𝐶𝑖𝑘+1 = 𝛼 𝐶𝑖−1

𝑘 + 1 − 2𝛼 + 𝛽 𝐶𝑖𝑘 + (𝛼 − 𝛽)𝐶𝑖+1

𝑘

𝐷𝑥

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2− 𝑣𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝜕𝐶

𝜕𝑡

𝐷𝑥

𝐶𝑖+1𝑘 − 2𝐶𝑖

𝑘 + 𝐶𝑖−1𝑘

∆𝑥2− 𝑣𝑥

𝐶𝑖+1𝑘 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑥=

𝐶𝑖𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑡=

∆𝐶

∆𝑡

𝛼 =𝐷𝑥∆𝑡

∆𝑥2 𝛽 =

𝑉𝑥∆𝑡

∆𝑥

Page 13: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 14: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Implicit Solution using =1

𝐷𝑥

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2− 𝑣𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝜕𝐶

𝜕𝑡

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2 = 𝛼𝐶𝑖+1

𝑘+1 − 2𝐶𝑖𝑘+1 + 𝐶𝑖−1

𝑘+1

∆𝑥2 − (1 − 𝛼)𝐶𝑖+1

𝑘 − 2𝐶𝑖𝑘 + 𝐶𝑖−1

𝑘

∆𝑥2

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2 =𝐶𝑖+1

𝑘+1 − 2𝐶𝑖𝑘+1 + 𝐶𝑖−1

𝑘+1

∆𝑥2

𝜕𝐶

𝜕𝑥= 𝛼

𝐶𝑖+1𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘+1

∆𝑥− (1 − 𝛼)

𝐶𝑖+1𝑘 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝐶𝑖+1𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘+1

∆𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑡=

𝐶𝑖𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑡

Page 15: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

𝛼 =𝐷𝑥∆𝑡

∆𝑥2 𝛽 =

𝑉𝑥∆𝑡

∆𝑥

𝐶𝑖𝑘 = −𝛼 𝐶𝑖−1

𝑘+1 + 2𝛼 − 𝛽 + 1 𝐶𝑖𝑘+1 + (−𝛼 + 𝛽)𝐶𝑖+1

𝑘+1

2𝛼 − 𝛽 + 1 −𝛼 + 𝛽 0 0 0−𝛼 2𝛼 − 𝛽 + 1 −𝛼 + 𝛽 0 00 −𝛼 2𝛼 − 𝛽 + 1 −𝛼 + 𝛽 00 0 −𝛼 2𝛼 − 𝛽 + 1 −𝛼 + 𝛽0 0 0 −𝛼 2𝛼 − 𝛽 + 1

𝐶𝑖𝑘+1

𝐶𝑖+1𝑘+1

𝐶𝑖+2𝑘+1

𝐶𝑖+3𝑘+1

𝐶𝑖+4𝑘+1

=

𝐶𝑖𝑘 + 𝛼𝐶𝑖−1

𝑘

𝐶𝑖+1𝑘

𝐶𝑖+2𝑘+1

𝐶𝑖+3𝑘+1

𝐶𝑖+4𝑘+1

known unknown known

Matrix : 𝐀 ∙ 𝑩 = 𝑪 , 𝐦𝐚𝐤𝐚 𝐁 = 𝐢𝐧𝐯(𝐀)𝑪

A B C

Page 16: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 17: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Implicit Solution using =0.5

𝐷𝑥

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2− 𝑣𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝜕𝐶

𝜕𝑡

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2 =𝐶𝑖+1

𝑘+1 − 2𝐶𝑖𝑘+1 + 𝐶𝑖−1

𝑘+1

2∆𝑥2 −𝐶𝑖+1

𝑘 − 2𝐶𝑖𝑘 + 𝐶𝑖−1

𝑘

2∆𝑥2

𝜕𝐶

𝜕𝑥= 𝛼

𝐶𝑖+1𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘+1

∆𝑥− (1 − 𝛼)

𝐶𝑖+1𝑘 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑥

𝜕𝐶

𝜕𝑥=

𝐶𝑖+1𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘+1

2∆𝑥−

𝐶𝑖+1𝑘 − 𝐶𝑖

𝑘

2∆𝑥

𝜕2𝐶

𝜕𝑥2= 𝛼

𝐶𝑖+1𝑘+1 − 2𝐶𝑖

𝑘+1 + 𝐶𝑖−1𝑘+1

∆𝑥2− (1 − 𝛼)

𝐶𝑖+1𝑘 − 2𝐶𝑖

𝑘 + 𝐶𝑖−1𝑘

∆𝑥2

𝜕𝐶

𝜕𝑡=

𝐶𝑖𝑘+1 − 𝐶𝑖

𝑘

∆𝑡

𝛼 =𝐷𝑥∆𝑡

2∆𝑥2 𝛽 =𝑉𝑥∆𝑡

2∆𝑥

Page 18: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

𝐶𝑖−1𝑗+1

−𝛼 + 𝐶𝑖𝑗+1

1 + 2𝛼 − 𝛽 + 𝐶𝑖+1𝑗+1

𝛼 − 𝛽 = 𝐶𝑖−1𝑗

𝛼 + 𝐶𝑖𝑗

1 − 2𝛼 + 𝛽 + 𝐶𝑖+1𝑗

(𝛼 − 𝛽)

1 + 2𝛼 − 𝛽 −𝛼 + 𝛽 0 0 0−𝛼 1 + 2𝛼 − 𝛽 −𝛼 + 𝛽 0 00 −𝛼 1 + 2𝛼 − 𝛽 −𝛼 + 𝛽 00 0 −𝛼 1 + 2𝛼 − 𝛽 −𝛼 + 𝛽0 0 0 −𝛼 1 + 𝜕

𝐶𝑖𝑘+1

𝐶𝑖+1𝑘+1

𝐶𝑖+2𝑘+1

𝐶𝑖+3𝑘+1

𝐶𝑖+4𝑘+1

=

1 − 2𝛼 + 𝛽 𝛼 − 𝛽 0 0 0𝛼 1 − 2𝛼 + 𝛽 𝛼 − 𝛽 0 00 𝛼 1 − 2𝛼 + 𝛽 𝛼 − 𝛽 00 0 𝛼 1 − 2𝛼 + 𝛽 𝛼 − 𝛽0 0 0 𝛼 1 − 𝛼

𝐶𝑖𝑘 − 2𝛼𝐶𝑖−1

𝑘

𝐶𝑖+1𝑘

𝐶𝑖+2𝑘

𝐶𝑖+3𝑘

𝐶𝑖+4𝑘

Matrix: 𝐀 ∙ 𝑩 = 𝑪 ∙ 𝑫 𝒎𝒂𝒌𝒂 𝑩 = 𝒊𝒏𝒗(𝑨) ∙ 𝑪 ∙ 𝑫

A B

C D

known unknown

known known

Page 19: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 20: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

Compare between Analytical, Explicit, Implicit

(=1), and Implicit Crank Nicholson (=0.5)

Page 21: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi
Page 22: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

KESIMPULAN

Hasil simulasi menunjukkan bahwa metode finite difference

menggunakan implisit Crank Nicolson memiliki hasil yang

lebih stabil dibandingkan dengan metode numerik secara

eksplisit dan implisit sederhana.

Page 23: CONTAMINANT SIMULATION IN THE SOIL AND WATER fileAnalytical Solution •Persamaan kontaminan untuk sumber kontinu pada 1-D menggunakan transformasi Laplace (Bear,1961) •Jika dipengaruhi

THANK YOU