The hydrodynamic dispersion of contaminants in the subsurface is commonly described by Fick's Law which expresses the dispersive mass flux as a linear function of the concentration gradient with a constant dispersion coefficient. However, recent research has shown that the relationship deviates from linearity under high concentration gradient conditions. Although, several modifications of Fick?s Law have been proposed in order to account for this deviation under specific conditions, there is still not a broadly accepted tool for modeling the dispersion flux in real environmental applications.This study investigates the effect of high concentration gradients on hydrodynamic dispersion for experimental conditions beyond those considered in the literature, namely, existence of multiple species and low velocity conditions similar to those commonly encountered in natural subsurface systems. In order to test alternative dispersion models and determine transport parameters for subsequent model applications, three sets of stable miscible displacement experiments were conducted in two different types of porous media: (i) tracer experiments, (ii) brine experiments with varying flow rates and concentration gradients, (iii) mixture experiments where brine was mixed with a low concentration contaminant. The laboratory experiments showed that dispersive behavior deviates from Fickian Theory when high density gradients exist, for all high and low concentration solute components in groundwater.A numerical model was developed and validated using the experimental results. The model was then used to perform Monte-Carlo simulations of a transport problem where high concentration gradients exist along with heterogeneity in hydrogeological parameters. Simulation results suggested that non-Fickian behavior may significantly affect observations of transport, subsequent parameter estimations and potential effectiveness of groundwater remediation activities.

Yeraltında kirletici taşınmasında, hidrodinamik dispersiyon genellikle Fick Yasası ile tanımlanır. Fick Yasası, dispersiyona bağlı kütle akısını, derişim gradyanının sabit dispersiyon katsayılı, doğrusal bir işlevi olarak ifade eder. Öte yandan, yakın zamanlı araştırmalar, ilişkinin, derişim gradyanının büyük olduğu koşullarda doğrusallıktan saptığını ortaya koymuştur. Belli koşullarda bu sapmayı hesaba katabilmek amacıylaFick Yasası'nda değişiklikler yapılması önerilmiş olsa da, henüz, gerçek çevre uygulamalarında dispersiyon akısını modellemek için genel kabul görmüş araç bulunmamaktadır.Bu çalışma, büyük derişim gradyanlarının hidrodinamik dispersiyona etkisini, mevcut yayınlarda incelenmiş deneysel koşulların ötesinde araştırmayı amaçlamıştır. Bu araştırma koşulları, birden fazla kirleticinin bir arada bulunması ve doğal yer altı sistemlerinde yaygın olarak gözlemlenen düşük akış hızlarıdır. Alternatif dispersiyon modellerini sınamak ve bunu takip eden model uygulamalarında kullanılacak taşınma parametrelerini belirlemek amacıyla, iki farklı gözenekli ortamda, üç tür dengeli karışabilir yer değiştirme deneyi yapılmıştır: (i) izleyici deneyleri, (ii) farklı derişimlerde ve hızlarda tuzlu su deneyleri, (iii) tuzlu suyun içine düşük derişimli bir kirleticinin eklendiği karışım deneyleri. Laboratuar deneyleri, büyük derişim gradyanları söz konusu olduğunda, hem yüksek derişimli hem de düşük derişimli kirleticilerin dispersiyon davranışlarının Fick Kuramı'ndan saptığını göztermiştir.Deney sonuçlarına dayanarak sayısal bir model geliştirilmiştir. Sayısal model, hem hidrojeolojik parametrelerin heterojen dağılım gösterdiği hem de derişim gradyanlarının büyük olduğu taşınma problemlerinde Monte-Carlo benzetimleri yapılmasında kullanılmıştır. Benzetim sonuçları, Fick Yasası'ndan sapan dispersiyon davranışlarının yer altı suyunda kirletici taşınması gözlemlerini, onlara dayanılarak yapılacak parametre tahminlerini ve yer altı suyu iyileştirme etkinliklerinin etkililiğini önemli ölçüde etkileyebileceğini göstermiştir.