Ground penetrating radar imaging and time-domain modelling of the infiltration of diesel fuel in a sandbox experiment

Ground penetrating radar (GPR) is a non-destructive method which, over the past 10 years, has been successfully used not only to estimate the water content of soil, but also to detect and monitor the infiltration of pollutants on sites contaminated by light non-aqueous phase liquids (LNAPL). We represented a model water table aquifer (72 cm depth) by injecting water into a sandbox that also contains several buried objects. The GPR measurements were carried out with shielded antennae of 900 and 1200 MHz, respectively, for common mid point (CMP) and constant offset (CO) profiles. We extended the work reported by Loeffler and Bano by injecting 100 L of diesel fuel (LNAPL) from the top of the sandbox. We used the same acquisition procedure and the same profile configuration as before fuel injection. The GPR data acquired on the polluted sand did not show any clear reflections from the plume pollution; nevertheless, travel times are very strongly affected by the presence of the fuel and the main changes are on the velocity anomalies. We can notice that the reflection from the bottom of the sandbox, which is recorded at a constant time when no fuel is present, is deformed by the pollution. The area close to the fuel injection point is characterized by a higher velocity than the area situated further away. The area farther away from the injection point shows a low velocity anomaly which indicates an increase in travel time. It seems that pore water has been replaced by fuel as a result of a lateral flow. We also use finite-difference time-domain (FDTD) numerical GPR modelling in combination with dielectric property mixing models to estimate the volume and the physical characteristics of the contaminated sand.

RésuméLe géoradar (GPR) est une méthode non destructive qui, au cours des dix dernières années, a été utilisée avec succès pour estimer la teneur en eau du sol ; mais aussi pour détecter et suivre l’infiltration de polluants en phase liquide non aqueuse (LNAPL) sur des sites contaminés. Nous avons simulé une nappe libre (dont le toit est à 72 cm de profondeur) en injectant de l’eau dans une cuve remplie de sable qui contient également plusieurs objets. Les mesures GPR ont été réalisées à l’aide d’une antenne blindée à 900 et 1200 MHz, respectivement, en dispositif point milieu commun (CMP) et en profils à offset constant (CO). Nous présentons ici une extension du travail publié par Loeffler et Bano qui consiste à injecter 100 L de gasoil dans la cuve, depuis la surface du sable. Les données GPR acquises sur le sable pollué ne montrent pas de réflexions claires dues à la présence du panache de polluant ; néanmoins, les temps de trajet des ondes radar sont très perturbés par la présence du gasoil et les principales perturbations observées sont des anomalies de vitesse de l’onde. On peut noter que la réflexion de l’onde à la base de la cuve est observée sur tous les enregistrements, à un temps constant en l’absence de pollution et perturbée après injection de gasoil. La zone proche de l’injection de gasoil est caractérisée par une vitesse plus élevée qu’avant injection, alors que la zone éloignée de l’injection présente une anomalie de vitesse plus lente (temps de trajet plus long). Il semble que l’eau résiduelle dans la zone non saturée ait été remplacée par le gasoil en suivant un écoulement latéral. On a utilisé la modélisation numérique en différences-finies dans le domaine temporel (FDTD) et des lois d’estimation des propriétés diélectriques pour estimer le volume et les caractéristiques du sable contaminé.