Under det senaste året, en sak har blivit klar:vi kan inte leva livet utan risk. Faktiskt, varje del av våra dagliga rutiner blev föremål för analys:Hur riskabel är åtgärden och är dess värde värt den potentiella kostnaden?

Riskanalys, även om det verkar mer ständigt närvarande i våra tankar idag, har alltid varit en del av hur vi fungerar och hur systemen runt omkring oss fungerar. Som nya tryck, som klimatförändringar, fördjupa, noggrannheten och tillförlitligheten i riskanalysmodeller beträffande frågor som är så grundläggande som renheten i vårt dricksvatten har blivit viktigare än någonsin.

USC forskare, inklusive Felipe de Barros, docent i civil- och miljöteknik vid USC Viterbi School of Engineering, har utvecklat en mängd olika modeller som kan hjälpa till att bedöma hur nya föroreningar sprids, lösa upp och i slutändan påverka vattenkvaliteten och akviferens motståndskraft.

"Underjordiska miljön är mycket komplex och utmanande att spåra, för vi kan inte se det, ", sa de Barros. "Vi har inte detaljerad information om hur djupa föroreningarna är, hur långt ut de är spridda, var de kommer ifrån, vilka andra föroreningar de har blandat med eller hur de geologiska egenskaperna varierar i rymden."

Dessa frågor är precis vad de Barros och hans team arbetar med. Nyligen, de Barros och medarbetare utvecklade en analytisk modell som kan hjälpa till att förutsäga spridning av föroreningar i spruckna porösa medier under olika vattenflödesscenarier. Detta verk visades i Fysik Granskning Vätskor . Fördelen med den analysmodell som utvecklats av de Barros och samarbetspartners är att den gör det möjligt att titta på sambandet mellan olika geologiska och fysiska parametrar för att se hur de påverkar upplösning av en förorening när vatten rinner från en punkt till en annan.

"Det är som att studera alternativa verkligheter - som i ett serietidningsuniversum, " sa de Barros. "Om du kan förstå vad som händer med varje olika scenario, du kan bättre förutsäga resultat i realtid och bättre allokera resurser för att mildra problemet."

"Med verktyg som det här, du kan göra probabilistisk riskanalys och beräkna och bedöma riskerna förknippade med en avfallshanteringsanläggning, till exempel, eller med en oavsiktlig läcka, ", sa han. "Vi kan också förstå hur snabbt dessa kemikalier kommer att färdas i dessa miljöer."

Till exempel, säga att det var ett kemikalieutsläpp nära en akvifer. Med korrekt riskmodellering som tar hänsyn till heterogena nyckelvariabler i miljön, hälso- och sjukvårdspersonal och tillsynsorgan kan bättre förstå hur mycket förorening de kan förvänta sig att vara i slutändan vattenkälla, sa de Barros.

"Denna modellering kan hjälpa till med frågor som, 'Ska jag satsa mer pengar på folkhälsa eller på att karakterisera den geologiska platsen? Ska jag stänga av brunnen - vilket är mycket kostsamt - eller ta in kranvatten från en annan plats eller köpa vatten på flaska, eller finns det rimlig kunskap om att vattnet fortfarande kan användas, en gång behandlat? "sa han.

Ett komplext system förenklat

Felipe de Barros och hans team tittade på den komplexa fysiken för vattenflöde genom olika flödessystem, nämligen där begränsat flöde, som genom ett poröst membran, möter fritt flöde, som utrymmet mellan två porösa ytor. Hur dessa områden interagerar är viktiga för att bestämma hur en kemikalie löser sig eller blandas i en vattenkälla, han sa.

Istället för att lösa de fysiska ekvationerna numeriskt för att modellera olika utfall, teamet såg ut att tackla problemet genom att utveckla analytiska lösningar som är beräkningsmässigt billiga. Genom att identifiera relationer mellan element i modellen tillät de att "uppskala" den, förenkla den inblandade matematiken genom att destillera dessa trender i färre termer och sedan inbäddade i deras ekvation.

För att skapa en modell som kapslade in dessa nyckelparametrar och beteenden, forskarna tittade på de geometriska egenskaperna hos de underjordiska strukturerna. Porositet och permeabilitet hos den underjordiska miljön eller bildförhållandet som kännetecknar sprickorna var nyckelelement som övervägdes, sa de Barros.

Beslutsfattande med data

Det är svårt att fatta beslut i ett vakuum. Det är därför de Barros säger att de verktyg som utvecklats inom hans forskargrupp kan förändra hur vattenreningsanläggningar, tillsynsmyndigheter och andra bestämmer vad de ska göra i olika scenarier. När ytvattnet blir alltmer knappt, Underjordiska källor och behandlingsalternativ kommer att behöva utnyttjas alltmer. På samma gång, dock, med föroreningar och kemiska föroreningar som läcker ut i vattenkällor, utmaningen är att identifiera hur man mäter säkerheten för ett visst flöde utan att helt förstå de osynliga okända som påverkar det.

En sak vår forskning syftar till att gå, sa de Barros, är att utveckla applikationsorienterade modeller som förbättrar vår grundläggande förståelse för samspelet mellan de geologiska medierna och lösta transportbeteenden. Detta skulle göra det möjligt att se hur föroreningsspridning påverkas av skiftande förhållanden. Till exempel, hur läcker en förorening igenom till andra sidan av en sprucken sten jämfört med en som inte har några sprickor? Eftersom så många potentiella föroreningar kan hittas i vattnet, detta hjälper till att skapa en allmän förståelse för det underjordiska systemet utan att förlita sig på att känna till de exakta föroreningarna i fråga.

Denna kunskap kan också möjliggöra reverse engineering, till exempel bygga ett system för att ha vissa hydrogeologiska förhållanden som kan hjälpa till att uppnå en önskad kemisk koncentration eller vattenkvalitet.

"Att förstå hur koncentrationen av en kemikalie förändras i ett givet system genom rum och tid kan ha konsekvenser för folkhälsan, vattenreningsverksamhet och även regleringspolicyer, till exempel som utfärdats av U.S. EPA, sa de Barros.