Optimization of geothermal and underground water resources management

The current PhD thesis deals with the optimization of geothermal and underground water resources management and it consist of ten chapters. The first chapter includes basic notions on the hydrologic cycle, water reserves, underground water resources, water pollution and water resources management. In the second chapter, basic geothermal energy principles are presented, along with a historic review concerning the evolution of the use of geothermal energy, both in Greece and globally. The third chapter contains general data concerning genetic algorithms and also an analysis of their use in optimization problems. The fourth chapter contains a brief description of the four problems studied in this thesis. They are four different problems of underground aquifer-geothermal field management that share a common feature. In all of them, the object of research is the optimal well layout and distribution of discharge, for a given number of pumping wells. - The first problem addresses the utilization of an underground water aquifer, which is hydrologically infinite and homogeneous. - In the second problem, the aquifer is divided (by a linear boundary described by the equation y= ax +b) into two semi-planes of different transmissivity. - The third problem deals with the utilization of an underground aquifer, which is hydrologically infinite and homogeneous, but divided into four zones of different geothermal water temperature. - In the fourth problem, the underground aquifer is defined by two constant head boundaries, which intersect, forming a 120° angle. To solve the respective flow simulation problem, an approximate form of the method of images is introduced. In an introductory step, the aforementioned form is optimized, using genetic algorithms. The respective criterion is the degree of observance of the boundary condition on the two constant head boundaries. The fifth chapter contains the flow chart of the programs that were created in order to determine optimal (or suboptimal) solutions to the problems outlined in the fourth chapter. Furthermore, it contains extracts of the programs, along with the necessary explanations, for the better understanding of their operation. In the sixth chapter the optimal solutions to the first three problems are studied, using the programs that have been written in the Quick Basic programming language. The seventh chapter is an operation manual for the programs written in the Visual Basic programming language, which were developed in the frame of this thesis for the solution of the aforementioned problems. In the eighth chapter, applications of the programs written in the Visual Basic programming language are presented. It contains a series of results derived for different sets of input data. This process aims at better understanding of the problems, confirmation of the correct program operation and, of course, determination of the optimal solutions. The ninth chapter contains a theoretical analysis of pumping cost minimization, for an aquifer that consists of two zones of different transmissitivy. In chapter ten, the conclusions drawn from the four studied problems and the optimization tool used, are presented. The thesis also includes an appendixes, it contains results of test runs that were executed for the second problem.Η παρούσα διδακτορική διατριβή ασχολείται με τη βελτιστοποίηση της διαχείρισης γεωθερμικών και υπόγειων πόρων και αποτελείται από δέκα κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στον υδρολογικό κύκλο, τα αποθέματα νερού, τους υπόγειους υδατικούς πόρους, τη ρύπανση του νερού και τη διαχείριση των υδατικών πόρων. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται λόγος για τις βασικές έννοιες σχετικά με τη γεωθερμική ενέργεια, καθώς και μία ιστορική αναδρομή της εξέλιξης της χρήσης της γεωθερμίας στην Ελλάδα και διεθνώς. Στο τρίτο κεφάλαιο παρατίθενται γενικά στοιχεία σχετικά με τους γενετικούς αλγόριθμους και αναλύεται η χρήση τους σε προβλήματα βελτιστοποίησης. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιέχεται μία σύντομη περιγραφή των τεσσάρων προβλημάτων που εξετάζονται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Πρόκειται για τέσσερα διαφορετικά προβλήματα διαχείρισης υπόγειου υδροφορέα-γεωθερμικού πεδίου, κοινό χαρακτηριστικό των οποίων αποτελεί το ζητούμενο της βέλτιστης διάταξης και κατανομής παροχών για δεδομένο αριθμό πηγαδιών άντλησης. - Στο πρώτο πρόβλημα εξετάζεται η εκμετάλλευση υπόγειου υδροφορέα, υδραυλικώς άπειρου και ομογενή. - Στο δεύτερο πρόβλημα ο υδροφορέας δεν είναι ομογενής, αλλά χωρίζεται από ένα ευθύγραμμο όριο με εξίσωση y= ax + b, σε δύο ημιεπίπεδα με διαφορετική μεταφορικότητα. - Στο τρίτο πρόβλημα εξετάζεται η αξιοποίηση ενός υπογείου υδροφορέα, υδραυλικώς άπειρου και ομογενή, που χωρίζεται σε τέσσερις ζώνες διαφορετικής θερμοκρασίας γεωθερμικού νερού. - Στο τέταρτο πρόβλημα ο υπόγειος υδροφορέας καθορίζεται από δύο όρια δεξαμενής τεμνόμενα υπό γωνία 120°. Για την επίλυση του υδραυλικού προβλήματος εφαρμόζεται προσεγγιστικά η μέθοδος των εικόνων. Για τη βελτιστοποίηση της προσέγγισης εφαρμόζεται πάλι η μέθοδος των γενετικών αλγορίθμων με κριτήριο τον βαθμό τήρησης της οριακής συνθήκης στα δύο ευθύγραμμα όρια σταθερού φορτίου. Στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται το λογικό διάγραμμα του αλγορίθμου των προγραμμάτων που δημιουργήθηκαν για την εύρεση των βέλτιστων λύσεων στα προβλήματα που αναλύθηκαν στο τέταρτο κεφάλαιο. Επίσης παρατίθενται ορισμένα αποσπάσματα των προγραμμάτων, μαζί με τις απαραίτητες επεξηγήσεις, για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας τους. Στο έκτο κεφάλαιο διερευνάται η εύρεση βέλτιστων λύσεων στα τρία πρώτα προβλήματα με τη χρήση προγραμμάτων που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Quick Basic. Το έβδομο κεφάλαιο αποτελεί έναν οδηγό χρήσης των προγραμμάτων, που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic, λειτουργούν σε περιβάλλον Windows και αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής για την επίλυση των προαναφερθέντων προβλημάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο εφαρμόζονται τα προγράμματα που έχουν συνταχθεί σε γλώσσα προγραμματισμού Visual Basic. Παρατίθεται μια σειρά αποτελεσμάτων που προέκυψαν με απλές διαφοροποιήσεις των δεδομένων που εισάγονται. Σκοπός αυτής της διαδικασίας είναι η καλύτερη κατανόηση των προβλημάτων, η επιβεβαίωση της καλής λειτουργίας των προγραμμάτων και τέλος ή εύρεση βέλτιστων λύσεων. Στο ένατο κεφάλαιο μελετάται θεωρητικά η ελαχιστοποίηση του κόστους άντλησης σε υδροφορέα με δύο ζώνες διαφορετικής μεταφορικότητας. Τέλος, στο δέκατο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που αναφέρονται στα τέσσερα προβλήματα υδραυλικής που μελετήθηκαν και στο εργαλείο βελτιστοποίησης που χρησιμοποιήθηκε. Η διατριβή περιλαμβάνει και ένα παράρτημα, στο οποίο δίνονται αποτελέσματα από δοκιμαστικά τρεξίματα για την επίλυση του δεύτερου προβλήματος.Die voliegende Promotion beschäftigt sich mit der Optiierung der Nutzung geotherischer und unterirdischer Wasservorkommen und besteht aus zehn Kapiteln. Im ersten Kapitel erfolgt eine Einführung in die Theorieu des hydrologischen Zyklus, der Wasservorräte, der unterirdischen Wasservorkommen, der Verschmutzung des Wassers und der Nutzung der Wasservorkommen. In Kapitel zwei warden die wesentlichen Begriffe der geothermischen Energie erläutert und es erfolgt eine synoptische Chronologie der Nutzung der Geothermie in Griechenland und international. Im dritten Kapitel warden die allgemeinen Begriffe der genetischen Algorithmen erläutert und deren Nutzung in Optimierungsproblemen analysiert. Im vierten Kapitel warden die vier Problemstellungen beschrieben, die Gegenstand dieser Studie sind. Es handelt sich dabei um vier unterschiedliche Problemstellungen der Nutzung eines unterirdischen, geothermischen Aquifers, deren gemeinsame Zielsetzung die optiale Anordnung und Verteilung von Kapazitäten für eine gegebene Anzahl von Pumpquellen ist. - In der ersten Problemstellung wird die Nutzung eines unterirdischen Aquifers, hydrologisch unendlich und homogeny untersucht. - In der zweiten Problemstellung ist der Aquifer nicht homogeny, sondern wird durch eine gerade Grenze mit der Gleichung y= ax +b in zwei Teilebenen unterschiedlicher Trransmissivität aufgeteilt. - In der dritten Problemstellung wird ein unterirdischer Aquifer untersucht, der hydrologisch unendlich und homogeny ist und in vier Zonen unterschiedlicher Temperatur des geothermischen Wassers aufgeteilt wird. - In der vierten Problemstellung wird der Aquifer durch die Grenzen zweier Speicher, die such im 120 Winkel treffen definiert. Die Lösung erfolgt durch Näherung mit Hilfe der Methode der Bilder. Die Optimierung der Näherung erfolgt mit Hilfe generischer Algorithmen mit Kriterium den Grad der Einhaltung der Randbedingung in den beiden geraden Grenzen konstanter Kapazaität. Im fünften Kapitel wird das Ablaufdiagramm der Algorithmen der Programme, die der Optimierung der Lösungen der Problemstellungen des vierten Kapitels dienen vorgestellt. Außerdem warden –für ein besseres Verständnis der Funktion der Programme- Auszüge des Quellcodes der Programme erläutert. In Kapitel sechs wird die Lösungsfindung der ersten drei Problemstellungen erörtert, die mit Hilfe von Programmen in der Programmiersprache Quick Basci erfolgte. Das siebte Kapitel liefert eine Art Bedienungsanleitung zu den Programmen, die im Rahmen dieser Studie zur Lösung der oben genannten Problemstellungen in der Programmiersprache Visual Basic entwickelt wurden und unter dem Betriebssystem Windows laufen. In Kapitel acht warden die Visual Basic Programme angewandt. Es wird eine Reihe an Resultaten vorgestellt, die aus simplen Variationen der Input-Daten erfolgen. Ziel dieses Vorgehens ist zum einen ein besseres Verständnis der Problemstellungen und zum anderen die Bestätigung der Funktion der Programme und zuletzt die Findung der optimalen Lösungen. Im neunten Kapitel erfolgt eine theoretische Analyse der Minimierung der Pumpkosten bei Anwendung in einem Aquifer mit zwei Transmissivitätszonen. Zu gutter Letzt warden im zehnten Kapitel die Ergebnisse und Schlussfolgerungen zu den vier Problemstellungen und dem entwickelten Optimierungs-Tool präsentiert. Die beinhaltet ein Anhange, wo sich die Resultate von Testläufen zur Lösung der zweiten Problemstellung finden

Study of physio-chemical environmental agents synergism effect and pollution upon cultural and building materials

In the present PhD work we focused on Pentelic marble, a widely used material since classical Greek times, with extensive use on sculpture and monuments. In order to develop a methodology on synergistic effects of environmental pollution over the surface and internal structure of the Pentelic marble, we have studied herein: A) heavy metals (Cu2+), B) inorganic ions (SO42-, PO42-) and C) natural organic matter (well characterized Humic Acids from Greek soils). It’s noticeable that high concentrations of Humic acids in soils, concerning marbles in burial conditions and “patinas” formation. The experimental study was a based on a systematic combination of Analytical (Anodic Striping Voltametry, Atomic Adsorption Spectroscopy) and physiochemical methods (Electron Paramagnetic Resonance, X Ray Diffraction), in order to investigate structural and interfacial characteristics of the material. In addition, we have developed a detailed theoretical analysis methodology combining: [i] E.P.R. spectroscopy for Mn2+ ions located either inside the crystal structure of marble or on the interface of marble with water or soil, and properties, [ii] Surface Complexation Modeling. The novelty of the present work relies on the combined use of Electron Paramagnetic Resonance -as a tool for structural analysis-, with Analytical information and theoretical analysis of Surface Complexation Models. This combination of methods proved to be the best way to reveal interfacial interaction mechanisms pollution in detail. It is noted the, quasi-total lack of previous literature data on the synergistic effects of environmental pollution factors. In this respect the present PhD thesis is a prototypical contribution in this research field. Among the most interesting results concerning marble’s surface and structural changes were evident by E.P.R. data of Mn2+ and Fe3+ impurities that we use as “probes”. Cu2+ ions interact with marble’s surface in a very complex manner. The effect of SO42- or PO43- synergy, results in more drastic changes to the structure, with PO43- in primary role. Synergistic effects of Humic acids and Cu2+ over Pentelic marble show that HA cause mild changes in structure, and only after long-time exposure. In contrast, HA in the presence of Cu2+ resulted in fast structural changes of marble. Based on the present work, it becomes clear that assessment of synergistic phenomena of physicochemical factors can provide a more appropriate view on the interfacial and structural mechanisms which determine the deterioration, economical and mechanical devaluation of cultural materials. Finally, a more extensive study of the synergistic effect of humic acids, sun radiation and environmental pollution, is necessary do to lack of literature data so far.Στην παρούσα διατριβή επικεντρωθήκαμε στο Πεντελικό μάρμαρο, ένα από τα πιο διαδεδομέναασβεστολιθικά δομικά υλικά στην χώρα μας αλλά και παγκοσμίως. Πραγματοποιήσαμε ανάπτυξη μεθοδολογίας για την μελέτη των επιπτώσεων της συνεργιστικής δράσης των περιβαλλοντικών ρύπων, στην επιφάνεια και στο εσωτερικό της κρυσταλλικής δομής του μαρμάρου. Λήφθηκευπόψη η συνεργιστική επίδραση: Α) βαρέων μετάλλων, με επιλογή των ιόντων χαλκού Cu2+ ωςαντιπροσωπευτικότερο αυτών, Β) ανόργανων ιόντων, με χρήση δυο τύπων αντιπροσωπευτικών ιόντων: θειικά (SO42-) και φωσφορικά (PO42-), Γ) οργανικής ύλης, με αντιπροσωπευτικότερα των οργανικών δομών, Χουμικά Οξέα ΗΑ που έχουν απομονωθεί από ελληνικά εδάφη, τα οποία περιείχαν δραστικές ομάδες (καρβοξύλια, φαινολικές ομάδες, ελεύθερες ρίζες) καθώς και αρωματικές δομές. Επιπρόσθετο ενδιαφέρον παρουσιάζει η επίδραση Χουμικών οξέων πολύ υψηλών συγκεντρώσεων -που εντοπίζονται στο έδαφος-, επειδή αφορά στα ανασκαφικά μάρμαρα και στο σχηματισμό «πατίνας» στη διεπιφάνεια εδάφους-μαρμάρου. Πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη με χρήση αναλυτικών τεχνικών (Ατομική Απορρόφηση, Ανοδική Αναδιαλυτική Βολταμετρία) και φασματοσκοπικών μεθόδων (Περιθλασιμετρία Ακτίνων Χ, Φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού), για την μελέτη δομικών και διεπιφανειακών χαρακτηριστικών.Ακολούθησε εκτεταμένη θεωρητική ανάλυση που περιελάμβανε: - μελέτη εις βάθος της Φασματοσκοπίας Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού για το Mn2+ και - ανάπτυξη μοντέλων διεπιφανειακών αλληλεπιδράσεων. Συμπερασματικά, η πρωταρχική χρήση του συνδυασμού της Φασματοσκοπίας Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού -ως βασικό εργαλείο για την μελέτη της δομής-, των αναλυτικών πληροφοριών και του Μοντέλου Διεπιφανειακών Αλληλεπιδράσεων, αποκάλυψε το σύνολο των διεργασιών με τον καλύτερο δυνατό τρόπο

A water-dispersible, carboxylate-rich carbonaceous solid: Synthesis, heavy metal uptake and EPR study

Thermal oxidation of Na-cholate hydrate at 300 °C in air results in a carbonaceous solid (SC-30) nanomaterial bearing a steroid interior and a significant fraction of carboxylate sites. Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy reveals that SC-30 bears a significant concentration of stable C-based radicals located at the interior of the steroid carbonaceous matrix. H-binding, determined by potentiometric acid-base titrations show that the SC-30 contains three types of H-binding sites. One type with pKa = 4.2 corresponds to surfacial metal-binding COOH groups. A second type of sites with pKa = 6.2 corresponds to COOH buried at the interior of the SC-30 carbon matrix, which are inactive in metal binding. A third type with pKa = 8.5-is also inactive in metal binding-originates from aggregated stacked-states like those observed for cholate in solution. The surfacial COO - carboxylate groups, confer the solid hydrophilic character, therefore it can be easily dispersed in water at high concentrations providing clear aqueous colloids. pH-edge metal uptake experiments and Surface Complexation Modelling show that SC-30 is an efficient heavy metal adsorbent in aqueous solution for Pb 2+ and Cu 2+ ions at pH 5-8. A structural/functional model is discussed based on the heterogeneous character of the SC-30 material. © 2011 Springer Science+Business Media, LLC

A water-dispersible, carboxylate-rich carbonaceous solid: synthesis, heavy metal uptake and EPR study

Thermal oxidation of Na-cholate hydrate at 300 A degrees C in air results in a carbonaceous solid (SC-30) nanomaterial bearing a steroid interior and a significant fraction of carboxylate sites. Electron Paramagnetic Resonance spectroscopy reveals that SC-30 bears a significant concentration of stable C-based radicals located at the interior of the steroid carbonaceous matrix. H-binding, determined by potentiometric acid-base titrations show that the SC-30 contains three types of H-binding sites. One type with pKa = 4.2 corresponds to surfacial metal-binding COOH groups. A second type of sites with pKa = 6.2 corresponds to COOH buried at the interior of the SC-30 carbon matrix, which are inactive in metal binding. A third type with pKa = 8.5-is also inactive in metal binding-originates from aggregated stacked-states like those observed for cholate in solution. The surfacial COO(-) carboxylate groups, confer the solid hydrophilic character, therefore it can be easily dispersed in water at high concentrations providing clear aqueous colloids. pH-edge metal uptake experiments and Surface Complexation Modelling show that SC-30 is an efficient heavy metal adsorbent in aqueous solution for Pb(2+) and Cu(2+) ions at pH 5-8. A structural/functional model is discussed based on the heterogeneous character of the SC-30 material.Journal of Materials Scienc