Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben Ács Tamás

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben Ács Tamás"— Előadás másolata:

1 Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben Ács Tamás

2 2 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Ha a felszín alatti vízről (ált. talajvíz) vagy a felszín alatti közegről (talaj) kiderült, hogy szennyezett, akkor a tényfeltárás keretében szükséges  a jelenleg (B) szennyezettségi határérték fölötti szennyezőanyag koncentrációval jellemezhető talaj és talajvíz térfogatának és horizontális kiterjedésének meghatározása, vagyis a szennyezett terület lehatárolása  a jövőben (B) szennyezettségi határérték fölötti szennyezőanyag koncentrációval jellemezhető talaj és talajvíz térfogatának és horizontális kiterjedésének meghatározása, vagyis a veszélyeztetett terület lehatárolása Kérdés:  hogy határozzuk meg a jelenleg szennyezett területet?  hogyan használhatjuk ezt fel a veszélyeztetett terület meghatározására?  hogy jön be a képbe a szennyezőanyag-terjedés vizsgálata?

3 3 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Általában nem áll rendelkezésünkre a talajban/talajvízben található szennyezőanyag koncentráció eloszlás térképe, viszont rendelkezünk a tényfeltárás során vett talaj/talajvíz minták analitikai eredményeivel. A szennyezett terület lehatárolása általában a következő lépésekből áll:  a lehatárolás külön történik a talajra és a talajvízre  a mérések közül az egymásnak ellentmondó eredmények kiszűrése  ha több időpontban (n) és/vagy több mélységben (m) volt mintavétel, akkor ezek eredményeinek rendszerezése, vagyis n∙m adatsor létrehozása  térbeli interpoláció alkalmazása az előkészített adatok alapján minden mintázott mélységre  (B) határértékhez tartozó izokoncentrációs vonalakon belüli területek számítása  megjelenítés minden mélységben külön-külön, kvázi 3D ábra készítése  ha több mélységben is volt mérés, akkor a lehatárolt területek burkológörbéje adja a szennyezett területet

4 4 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Térbeli interpolációs módszerek:  sok módszer kidolgoztak a különböző tudományok igényeinek és a vizsgált változó jellemzőinek megfelelően  többféleképpen is csoportosíthatók:  globális: A rendelkezésre álló összes adatot felhasználja, így nincs hirtelen váltás a létrehozott felszínben.  egzakt (szabatos): A mérési pontokon a mért értékeket adja eredményül.  determinisztikus: A vizsgált változó viselkedése jól ismert, determinisztikus függvénnyel megadható. Nem adja meg a becslés hibáját.  folyamatos: Egy pontnak bármilyen irányból közelítve is ugyanazt az értéket adja (nem lépcsőzetes az eredmény).  lokális: Adott számú (vagy adott távolságon belül eső) adatokat használja, így leköveti a lokális változékonyságot.  nem egzakt (közelítő): A mérési pontokon nem feltétlenül a mért értékeket adja eredményül.  sztochasztikus: Statisztikai függvényeket is használ a térbeli változékonyság leírására. A keresett értéken kívül a becslés hibáját is megadja.  szakadásos: Lépcsőzetes eredmény (nem folytonos), szakadások vannak a felületben.

5 A módszerek ismertetése előtt egy fontos eleme sok módszernek: Thiessen poligon  def.: Egy adott ponthoz tartozó Thiessen poligon azon pontok mértani helyét jelenti, melyek a kérdéses ponthoz közelebb esnek, mint bármelyik másik mintavételi ponthoz.  alapja a Delauney háromszögek meghatározása, ezek oldalainak felező merőlegesei adják a Thiessen poligonok éleit  tulajdonképpen a terület ” igazságos” felosztását jelenti  széles körben alkalmazott (meteorológia, természetvédelem, matematika…)  ránézésre egyszerű a meghatározása, de próbáljuk csak ki magunkat pl. 20 mintavételi pont esetén 5 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Delauney háromszögek mintavételi helyek Thiessen poligonok

6 1.Nearest neighbor (legközelebbi szomszéd)  determinisztikus, lokális, egzakt, szakadásos  minden pont a legközelebbi mintavételi pontbeli értéket veszi fel, vagyis a mintavételi pontok köré rajzolt Thiessen poligonokon belül minden pont az adott mintavételi pont értékét veszi fel  geológiai formációk, talaj jellemzők, stb. interpolására alkalmas lehet  szennyezőanyag koncentráció eloszlás térkép készítésére alkalmatlan 6 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: a „legkülső pontokon kívül a Thiessen poligonoknak nincs külső határoló éle előre meg kell határozni az interpoláció (extrapoláció) határait interpoláció

7 7 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 2.Natural neighbor (természetes szomszéd)  determinisztikus, lokális, egzakt, folyamatos  az előzőhöz hasonlóan Thiessen poligonokat használt, de annál szofisztikáltabb  a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő 1.Thiessen poligon az keresett értékű pont és a mintavételi helyek között 2.az új Thiessen poligon területe: A T 3.új és eredeti Thiessen poligonon metszetének területei: A i 4.súlyok: 5.keresett érték számítása:  Legyen ismert a koncentráció Q i (i=1…n) pontokban: z i  Keressük P pont értékét: z p  Lépések: P

8 8 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 3.IDW (inverse distance weighting)  determinisztikus, globális/lokális, egzakt, folyamatos  a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő  globális/lokális:  vagy minden mintavételi pont értékét felhasználjuk  vagy definiáljuk a figyelembe veendő mintavételi pontok számát, ekkor a legközelebbi pontok közül választja ki a megfelelő számút  vagy definiálunk egy területet (általában kört), amin belül eső mintavételi pontokat használja fel P 1.a P és Q i pontok közötti távolság számítása: 2.súlyok: 3.keresett érték számítása: paraméter, ami azt határozza meg, hogy mekkora súlya legyen a távolabbi pontoknak h i,p

9 9 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 3.IDW (inverse distance weighting)  példa:  adott 6 mintavételi pont (Q i ) koordinátái (x,y) és a mért koncentrációk (z i )  keressük P(4.0, 4.0) pontban a koncentráció értékét (z p ) 1.a P és Q i pontok közötti távolságok számítása: 2.súlyok számítása: legyen k paraméter értéke először k=1, majd k=100: 2.keresett érték számítása P-ben: Qxyz ih i,p Qw (k=0.1)w (k=100) xyz p (k=0.1)z p (k=100) P kis k közel egyenlő súlyok nagy k közelebbi pont számít átlag=3.50

10 10 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 4.Kriging (krigelés)  sztochasztikus, globális/lokális, egzakt, folyamatos  a ”legjobb” becslést adja  számítható a becslés statisztikai hibája is  sok változatát dolgozták ki: blokk-, co-, univerzális krigelés, stb.  globális/lokális: ua., mint az IDW-nél  a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő  a nehézséget a súlyok meghatározása jelenti, ehhez használ sztochasztikus megközelítést:  feltételezzük, hogy a mintavételi pontokon mért értékek különbsége kapcsolatba hozható a pontok közötti távolsággal, vagyis minél közelebb van két pont egymáshoz, annál inkább ”hatással vannak egymásra” és minél nagyobb a távolságuk, annál kevésbé érvényesül az egymásra hatás  a távolság és a változó változékonysága közötti empirikus (tapasztalt) kapcsolatot ún. fél-varianciák segítségével, fél-variogramokon vizsgáljuk  az empirikus kapcsolatot matematikai összefüggéssel próbáljuk a lehető legjobban közelíteni  a már matematikailag megfogott távolság-változékonyság kapcsolat alapján határozzuk meg, hogy a keresett értéknél az egyes mintavételi pontok értékei milyen súllyal legyenek figyelembe véve

11 11 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 4.Kriging (krigelés)  Lépések: 1.távolságok számítása a mintavételi pontok (Q i ) között, valamint P és Q i pontok között: 2.fél-varianciák számítása Q i értékei (z i ) alapján: 3.empirikus fél-variogram ábrázolása:

12 12 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 4.Kriging (krigelés)  Lépések: 4.elméleti variogram függvény fektetése az empirikus variogramra Ezek ált. 3 paraméteres függvények (R, S, N), az elméleti fv-ek illeszkedését ennek a 3 paraméternek a változtatásával lehet optimalizálni. partial sill (PS) nugget (N) range (R) néhány elméleti variogram függvény ezen a távolságon belül van kapcsolat a pontok között sill (S) telítési érték egy ponton több eltérő eredményű mérés v. hibás mérések

13 13 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 4.Kriging (krigelés)  Lépések: 5.egyenletrendszer felírása és ugyanez mátrix formában keresett súlyok elméleti fv. alapján számított fél- variancia Q i -k távolsága alapján Lagrange paraméter, a becslés hibájának minimalizálásához elméleti fv. alapján számított fél- variancia P és Q i távolsága alapján nem zh/vizsga anyag

14 14 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 4.Kriging (krigelés)  Lépések: 5.egyenletrendszer megoldása nem zh/vizsga anyag

15 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Példa: nátrium koncentráció a talajvízben - (B)=200 mg/l : mintavételi helyekNearest neighborNatural neighborIDW k=10 IDW k=2Kriging: lineáris szakadásos felület, a Thiessen poligonok határán éles váltás sokkal simább felület, de a mintavételi pontok által bezárt területen kívül nem működik a nagy k érték miatt a legközelebbi mérések értékei dominálnak, így hasonló a Nearest neighbor-hoz jóval simább felület, a koncentráció csúcsokat sikerült ”jól megfogni” a legsimább felület az összes közül, olyan ”hihető” az eredmény nem csak látványra eltérő, de a szennyezett terület kiterjedése is egészen más 15 Kriging: exponenciális nincs jelentős különbség az előzőhöz képest Kriging: gömb még mindig majdnem ua., pedig az elméleti variogram egészen különböző Kriging: logaritmikus egészen más, elnyújtott hatása van, pedig a variogram illeszkedése jó volt nagyon nem mindegy, hogy milyen módszert használunk!

16 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 16 Hogyan ellenőrizhetjük az interpoláció jóságát? Kereszt validációval:  az interpolációt változatlan paraméterekkel többször hajtjuk végre  minden körben egy vagy több (mintavételi pontok számától függően) mérést kihagyunk a számításból  a kihagyott pontok mért és az interpolációval kapott értékét összevetjük  az így kapott értékpárokat diagramon ábrázoljuk Hibák:  szisztematikus felülbecslés  szisztematikus alulbecslés  nem megfelelő interpolációs módszer Cél a négyzetes hibaösszeg minimalizálása:

17 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 17 szennyezőanyag jellemzői oldott vs. partikulált adszorbeálódik v. nem terjedés sebessége mérések száma megbízhatóság elméleti tudás rendelkezésre álló szoftver módszer választás paraméterezés

18 dh/2 kék érvényes sárga érvényes zöld érvényes dh Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 18 Szennyezett térfogat meghatározása:  feltétel, hogy ismerjük a szennyezőanyag koncentráció eloszlását, és a szennyezett terület le legyen határolva  ha több mélységben is volt mérés, akkor el kell döntenünk, hogy az adott mélységben interpolált koncentráció eloszlást milyen mélységközre tekintjük érvényesnek egy lehetséges felosztás talajban feltételezve, hogy a koncentráció változás mértéke konstans vízrekesztő barna érvényes piros érvényes egy lehetséges felosztás talajvízben feltételezve, hogy a víznél nagyobb fajsúlyú a szennyező

19 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 19 Szennyezett térfogat meghatározása:  talajban:  talajvízben: i-edik mélységhez tartozó (B) határérték felett szennyezett terület [L 2 ] i-edik mélységhez tartozó mélységköz [L] i-edik mélységhez tartozó mélységköz átlagos porozitása [-]

20 Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 20 A veszélyeztetett terület meghatározásához ismernünk kell:  a szennyezőanyag terjedést befolyásoló jellemzőit (milyen folyamatokkal kell számolni?)  a felszín alatti áramlási rendszert (áramlás iránya és sebessége)  a forrás továbbra is szennyez v. ” csak” a talajban/talajvízben aktuálisan jelen levő szennyeződés terjedésével kell számolni  szennyezőanyag aktuális koncentráció eloszlását a közegben – ez a jövőre vonatkozó számítások kezdeti feltétele analitikus számítások v. transzport modellezés

21 21 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Amikor talaj- és/vagy talajvíz kármentesítésének folyamatáról beszélünk, akkor a szennyezőanyagok terjedési jellemzőinek ismerete fontos:  mert segítségével megbecsülhető, hogy a szennyezés megkezdése óta milyen távolra és milyen mélyre juthatott el a szennyezőanyag  ezzel segít a mintavételi helyek pozícionálásában ahhoz, hogy a szennyezett terület/térfogat lehatárolható legyen;  mert megbecsülhető, hogy a közeli és távoli jövőben milyen távolra és milyen mélyre juthat el a szennyezőanyag  ami alapján a veszélyeztetett terület lehatárolható és  ami alapján eldönthető, hogy szükség van-e azonnali beavatkozásra és ha igen, akkor milyen típusúra.

22 Eredmények, amit a szennyezőanyag-terjedés vizsgálatokkal kapunk:  szennyezők térbeli és időbeli mozgásának előrejelzése  elérési idők (mikor fogja elérni a hatásviselőket a szennyezőanyag)  jellemző koncentrációk (mekkora koncentrációban lesz jelen a szennyezőanyag adott területhasználat (v. hatásviselő) területén 22 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5 év 10 év 30 év 50 év

23 23 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Azt, hogy egy szennyezőanyag forrásból kibocsátott szennyezőanyag okoz-e szennyezést a talajban/talajvízben, és hogy mekkora területet szennyez el, sok tényező befolyásolja:  kibocsátás mértéke, időtartama  geológiai viszonyok  közeg jellemzői (talaj textúrája, vízvezető képessége, talaj/talajvíz kémhatása, mikroba közössége, stb.)  növényzet  szennyezőanyag jellemzői (fajsúlya, oldhatósága, kémiai sajátosságai, biológiai bonthatósága, stb.)  hidrometeorológiai jellemzők (csapadék, hőmérséklet, párolgás, stb.)  áramlási viszonyok (feláramlási-, átmeneti-, leáramlási zóna) Ez elég egyértelmű, minél nagyobb mennyiségben bocsátunk ki szennyezőanyagot, annál valószínűbb, hogy a koncentráció eléri a (B) szennyezettségi határértéket, és minél tovább szennyezünk, annál magasabb koncentrációk kialakulása várható. Egy nyílt karsztba a nyelőkön keresztül szint azonnal, késleltetés nélkül jut be a szennyezőanyag a beszivárgó vízzel, ezért a karsztos kőzetek sérülékenyek. Porózus kőzetek esetén a szivárgás jóval lassabb, de itt is meghatározó, hogy milyen talajfizikai féleségről van szó. Kavicsban az áramlás relatíve gyors, agyagban nagyon lassú. A durvább szemcséjű talajban a szivárgás gyorsabb, ezért a szennyező hamarabb éri el a talajvizet és nagyobb területekre jut el. A talaj kémhatásától függően egyes szennyezőanyagok mobilizálódnak vagy fordítva, immobilizálódnak. Szerves anyagok biodegradációja csak megfelelő fajösszetételű és mennyiségű baktérium/gomba jelenléte mellett lehetséges. Stb. A növények képesek az oldott állapotban levő szennyezők felvételére. Fajtól függően érzékenyek v. kevésbé érzékenyek a szennyezőre. A növények gyökérzetén élő mikroorganizmusok is hatékonyan tudnak bizonyos típusú szennyezőanyagokat eltávolítani. Nagy vízigényű fajok sokat párologtatnak, vagyis leszívják a talajvizet, amivel helyben tudják tartani a szennyezőket. A víznél nagyobb fajsúlyú szennyezők a talajvíz tükröt elérve gravitációsan lefelé mozognak az első vízrekesztő rétegig. Ha oldódnak vízben, akkor a talajvíz folyamatosan moshatja el a gócot. A víznél kisebb fajsúlyú anyagok a talajvíz felszínén úsznak és együtt mozognak a talajvízzel. Az olajszármazékok a talajban olajtest formájában, külön fázisként, gravitációsan mozognak, míg el nem érik a talajvizet. Fizikai/kémiai jellemzőiktől függően a szennyezők megkötődhetnek a talajszemcséken, ezzel lassítva terjedésüket. A lebomló szennyezők mennyisége (ha csak nincs utánpótlódás) idővel csökken, ellentétben az inert anyagokkal. Egyes anyagok átalakulnak, hogy energetikailag stabilabb formába kerüljenek. Ez kedvezőtlen is lehet, ha az új forma ”veszélyesebb” a hatásviselőkre nézve. Csapadékos időszakban a felszíni beszivárgás nő, ezzel együtt emelkedik a telítetlen zóna nedvességtartalma, ami a szennyezők gyorsabb vertikális mozgását segíti (hamarabb eléri a talajvizet). Száraz időszakban ennek a fordítottja játszódik le, a szennyezés a növények gyökérzónájában koncentrálódik, és ha a növény fel tudja venni a szennyezőanyagot, akkor fel is veszi. Feláramlási területeken a mélyebb rétegekben levő víz nyomása nagyobb, mint a felső rétegekben levő vízé, így az áramlás iránya lentről felfelé mutat. Itt ált. párolgási többlet van. Ez szerencsés, a szennyező nem, vagy csak nagyon nehezen jut a mélyebb rétegekbe (rétegvíz szennyezés). Leáramlási területeken az egyedüli védőbástya a vízrekesztő rétegek beékelődése lehet. Beszivárgási többlet jellemző. Itt számolni kell a mobilis szennyezők mélybe jutásával.

24 Felszín alatti vizekben a szennyező anyagok transzportja a folyamat jellege szerint a következő folyamatokból áll:  advekció (konvekció) – a szennyező a közeggel (víz) együtt áramlik vagy külön fázisként viselkedve terjed  diffúzió – a koncentrációkülönbség hatására létrejövő transzport  diszperzió – a sebességvektor irányváltozásai (ütközések) hatására létrejövő transzport  szorpció – szennyezőanyag megkötődése szilárd vázon (talajszemcse) és az onnan való leválása  bomlás/átalakulás – kémiai és biológiai folyamatok, melyeknek eredményeként a szennyezőanyag mennyisége csökken és/vagy a szennyező minőségileg átalakul Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 24

25  szennyezőanyag a közeggel (víz) együtt mozog  ha olajszármazékról beszélünk, akkor az külön fázisként, a víztől függetlenül is mozoghat  gyakran keveredik az advekció és konvekció fogalma:  konvekció: hőtanból átvett fogalom, hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő áramlással mozgó anyag transzportja  advekció: potenciálos erőtér (itt nyomáskülönbség) és nem hőmérséklet különbség hatására létrejövő áramlással mozgó szennyezőanyag transzportja 25 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 1. advektív (konvektív) transzport Darcy: kérdés: milyen sebességgel áramlik a víz? de ez teljes keresztmetszetre vonatkozik, pedig a víz csak az egymással összefüggő (átjárható) pórusokon keresztül áramlik

26 26 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport  molekuláris diffúzióról beszélünk  koncentráció különbség hatására a szennyezőanyag szétterjed  mindig a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé egyensúlyra törekszik a rendszer  vízmozgást indukálhat (pl. só koncentráció különbség miatti tengeráralmások)

27 27 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport Fick I. törvénye írja le a diffúziós terjedést:  a diffúziós tömegáram így írható fel:  D diff [L 2 /T]:  diffúziós tényező  anyagfüggő  a porózus közegre érvényes és mindig kisebb, mint a vizes közegben mérhető diffúziós tényező (D 0 )  általában D 0 függvényében fejezik ki alakra hasonlít a Darcy-egyenletre: azt fajlagos hozamra fejeztük ki, ezt pedig tömegáramra, ott K tényező volt anyag és közegfüggő, itt ugyanez a D diff, ott a hidraulikus gradiens hajtotta meg a folyamatot, itt pedig a koncentráció gradiens

28  a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés  léptéktől függően: 1. mikroszkopikus (hidrodinamikai) diszperzió:  a szennyezőanyag a talaj szemcséinek ütközik és így mozgásának iránya megváltozik  egyenlőtlen sebességeloszlás a pórusokban 28 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben átlagos sebesség irányasebesség eloszlás a pórusban 3. diszperziós transzport

29 29  a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés  léptéktől függően: 2. makroszkopikus diszperzió:  a szivárgási tényező nem állandó a tengelyek mentén 29 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport z KxKx x C t=0 áramlás iránya x C t>0 a szennyezőanyag mennyisége nem változik V=konstans C t=0 C t>0

30 30  a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés  léptéktől függően: 2. makroszkopikus diszperzió:  a szivárgási tényező nem állandó a tengelyek mentén  a szennyezőanyag front lencsének ütközik, így mozgásának iránya megváltozik 30 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport agyag lencse homok

31 31  a szóródás mértéke eltérő a különböző irányokban:  longitudinális diszperzió: az átlagos sebesség vektorral párhozamos szóródás  transzverzális diszperzió: a sebesség vektorra merőleges szóródás  horizontális transzverzális  vertikális transzverzális  a térfogatáram arányos a diszperziós tényezővel, ami arányos  az átlagos szivárgási sebességgel  diszperzivitással  x tengellyel párhuzamos átlagos áramlási irányt feltételezve a diszperziós tényezők:  matematikai leírása megegyezik a diffúzió leírásával 31 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport horizontális transzverzális diszperzivitás longitudinális diszperzivitás vertikális transzverzális diszperzivitás porozitás

32 32 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport  diszperzió mértékét befolyásoló talaj jellemzők kicsi gyors nagy lassú kicsi gyors nagy lassú kicsi gyors pórusméret szennyezőanyag mozgása tekervényesség szennyezőanyag mozgása súrlódás szennyezőanyag mozgása

33  a pórusfolyadékban mérhető koncentráció és a talajszemcséken mérhető koncentráció különbségéből adódó, a rendszer egyensúlyára törekvő transzport  adszorpció: pórusfolyadékból kilépés és megkötődés a talajszemcséken (adszorbens)  deszorpció: leválás a talajszemcsékről és visszalépés a pórusfolyadékba  a folyamat reverzibilis, vagyis nem-kovalens kötés valósul meg a talajszemcse és a szennyező között  tulajdonképpen a szennyezőanyag terjedésének késleltetését jelenti 33 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék ”üresek” a szennyezőanyag megkötődik a szilárd vázon az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt egyensúly alakul ki, a szennyezőanyag továbbhalad, nem kötődik meg és a szilárd vázról sem válik le az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció kicsi, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt a szennyezőanyag leválik a talajról és oldatba lép

34 34 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok  a folyamatot izotermákkal írják le  általában telítési görbe jellegű az izoterma  gyakran használt izotermák:  Freundlich (exponcenciális):  Henry (lineáris):  Langmuir (logaritmikus):, ahol C max az adszorbeált szennyező telítési koncentrációja [M/M szárazanyag ] Freundlich Henry Langmuir Lineáris: K d : megoszlási hányados C sz : adszorbeált anyag koncentrációja [M/M szárazanyag ] C: oldott anyag koncentrációja [M/L 3 ]

35  bomlás: az anyag degradációja, mennyiségének csökkenése  átalakulás: kémiai, biokémiai folyamat, melynek hatására az anyagból minőségileg eltérő anyag keletkezik  a pórusfolyadékban és a szilárd vázon megkötött anyagok bomlásának mértéke eltérő  a bomlási folyamat sebességét befolyásoló tényezők:  a talaj pH-ja  a talaj nedvességtartalma (telített közegben ez egyenlő a porozitással)  hőmérséklet  szennyezőanyag fizikai-kémiai jellemzői  biodegradáció esetén fontos  a talaj szervesanyag tartalma  a talaj baktérium (és gomba) közösségének jellemzői  oxigénellátottság 35 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás

36  bomlási folyamatok:  elsőrendű (koncentrációtól függő): radioaktív bomlás, kémiai bomlások közül azok, amelyeknél a bomlás elsőrendű kinetikával leírható  nulladrendű (koncentrációtól független): forrás-nyelő, ide soroljuk az átalakulást is  Monod kinetika: a biodegradáció leírása 36 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás koncentráció t=0 időpontban lebomlási tényező exponenciális kifejezés lineáris kifejezés

37 F be,x V x z y Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 37 A transzport egyenletet a tömegmegmaradás elvéből kiindulva vezetjük le.  ragadjunk ki egy dx, dy, dz élhosszúságú elemi hasábot a telített zónából, melynek térfogata dxdydz=V  legyen a szennyező tömegárama, ahol v a sebesség [L/T], C pedig a szennyező koncentrációja [M/L 3 ] F ki,x F ki,y F be,z F ki,z F be,y a hasábban a szennyezőanyag tömegének megváltozása egységnyi idő alatt: A=dxdy=dxdz=dydz, vagyis a sebességvektorokra merőleges felület nem zh/vizsga anyag

38 Innentől kezdve ebből indulunk ki! Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 38 Osszuk le az egyenlet mindkét oldalát V=dxdydz-vel! A koncentráció a tömeg és a térfogat hányadosa:  a jobb oldalon álló kifejezés nem más, mint a tömegáram megváltozása a tér három iránya mentén  mivel F=v∙C és v vektormennyiség (hiszen a sebességnek van iránya és nagysága), a jobb oldali kifejezés az F tömegáram vektor divergenciája nem zh/vizsga anyag

39 39 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 1. advektív (konvektív) transzport Mivelés ugyanazt jelenti (v=q), q x =v x, q y =v y, q z =v z v eff -t beírva v x, v y és v z helyére, és mivel n eff nem függ a vizsgált iránytól, így kiemelhető: advektív transzportot leíró egyenlet ugyanaz, mint nem zh/vizsga anyag

40 40 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport Tehát, vagyis gradiens: egy skalár (C is ilyen) mennyiség megváltozása a tér három iránya mentén Emlékezzünk, a Darcy-egyenletben a hidraulikus gradiens hajtotta meg az áramlást. 3D-ben így írható fel: Tehát, és diffúziós transzportot leíró egyenlet nem zh/vizsga anyag

41 41 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport A diszperziós transzport matematikai leírása megegyezik a diffúziós transzportnál látottakkal, jóllehet a fizikai tartalom merőben eltérő. Tehát, vagyis Tehát, és diszperziós transzportot leíró egyenlet nem zh/vizsga anyag

42 42 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok A pórusfolyadékban oldott és a szilárd fázison megkötött szennyezőanyagok egyensúlyát izotermákkal írjuk le. A koncentráció időbeli változását pedig így írhatjuk fel: Lineáris (Henry) izotermát feltételezve: porozitás [-]talaj testsűrűsége [M/L 3 ] szorpciós transzportot leíró egyenlet nem zh/vizsga anyag

43 43 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás Az elsőrendű lebomlás folyamatát leíró egyenlet: elsőrendű, szeparábilis differenciál egyenlet, vagyis analitikusan megoldható kezdeti feltétel: ha ismert a felezési idő (radioaktív bomlás): nem zh/vizsga anyag

44 44 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Transzport egyenlet: oldott és adszorbeált anyag koncentrációjának megváltozása = advekció + diffúzió + diszperzió + szorpció + lebomlás vonjuk össze: Demeljük ki retardáció: R – a szennyező terjedését késlelteti oldott koncentráció megváltozása adszorbeált koncentráció megváltozása advekciódiffúziódiszperzió lebomlás és átalakulás

45 45 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Transzport egyenlet:  elrettentő kinézete és bonyolultsága ellenére jó néhány egyszerűsítést tartalmaz, pl.:  a szorpciós folyamatok egyensúlyát lineáris (Henry) izotermával adtuk meg, ami a legtöbb szennyezőanyag esetén nem érvényes  feltételeztük, hogy a bomlási folyamatok elsőrendű (exponenciális) és/vagy nulladrendű (lineáris) egyenletekkel leírható, pedig a szennyezőanyagok jó részénél a bomlási folyamatokat nem lehet ilyen egyszerűen leírni  az egyenlet a gyakorlati esetben sokkal barátságosabb formára egyszerűsödik, mert a legtöbb szennyezőanyagnál nincs értelme az összes, egyenletben szereplő folyamatot figyelembe venni  a szilárd halmazállapotú szennyezők nem fognak advektív, diffúziós vagy diszperziós transzporttal terjedni  sok szennyező nem vagy csak nagyon hosszú idő alatt bomlik le  vannak olyan anyagok, amik nem fognak adszorbeálódni a talajszemcséken  stb.

46 x C advekció + diffúzió + diszperzió + szorpció retardáció + bomlás/átalakulás x=0-ban és t=0-ban a koncentráció 46 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Transzport folyamatok hatása egy vonal mentén ábrázolva

47 advekció ± átalakulás + diffúzió és diszperzió + adszorpció + elsőrendű lebomlás 47 Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Áttörési görbe: megmutatja, hogy egy pontban hogyan változik a szennyezőanyag koncentráció időben a különböző transzport folyamatok figyelembe vételével


Letölteni ppt "Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben Ács Tamás"

Hasonló előadás


Google Hirdetések