Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."— Előadás másolata:

1 Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék

2 Magyarországon az ívóvízellátás 95 %-a felszn alatti vizekből történik kb kútból termelnek ivóvizet 1,8 millió m 3 vizet fogyasztunk naponta Miért kell vele foglalkoznunk? komoly vízminőségi előírások kutak jelentős része érzékeny a felszínről érkező szennyezésekre

3 Miért kell vele foglalkoznunk? A növényzet vízigényének jelentős részét a gyökérzeten keresztül, a talajból veszi fel Magyarországon a nyári csapadékhiány pótlására a talajvízből is felszivárog a víz a gyökérzónába

4 Miért kell vele foglalkoznunk? A vízfolyások kisvizeinek jelentős része származik felszín alatti vízből Őszi csapadékmentes időszakban a vízi élővilág éltetője

5 FELSZÍN ALATTI VIZEK Felszíni vizek növényzet Merev vázú kőzetekben tárolt vizek hasadékvizekkarsztvizek Porózus kőzetekben tárolt vizek rétegvíz talajvízpartiszűrésű víz talajnedvesség Telített zóna Telítetlen zóna források alaphozam transzspiráció termálvizek Egy kis terminológia …

6 féligáteresztő réteg (lösz, iszap, agyag) lencse vízvezető réteg (kavics, homok) ablak karsztos hegyvidék egy több rétegű felszín alatti áramlási rendszer összetevői

7 utánpótlódás: csapadékból történő beszivárgásmegcsapolás: párolgás vagy vízfolyás 1000 év 100 év 10 év < 1 év Utánpótlódási és megcsapolási helyek között áramlási pályák, ennek megfelelően potenciálviszonyok!!

8 VV csapadék felszíni lefolyás intercepció transzspiráció evaporáció Q in Q out beszivárgás vízkivétel vízfolyással kapcs. Hidrológiai körforgás evapotranszspiráció

9 Hidrológiai körforgás intercepció : csapadék függvényében a növényzet alapján felszíni lefolyás : függ lejtéstől, növényzettől, talajtípustól vízfolyással kapcs. : függ talajtípustól, talajnedevsség tartalomtól, medertől evaporáció : vízkapacitás – hervadáspont hervadáspont vízkapacitás evapotranszspiráció : növényzet, meteorológia, talajvízszint

10 ΔV sm /Δt = A·(B s – B gw + ET gw – Et s ) és (P – E s – L s = B s ) (E s = E gw + E sm ) A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: vízmérleg időszaka (T) ΔV gw : a tárolt készlet megváltozás az eredeti talajvízszint felett (L) B s : beszivárgás a felszínen (L/T) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET sm : párolgás a talajfelszínen (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) BsBsBsBs ET ET s B gw  V sm ET gw Vízmérleg a telítetlen zónára

11 ΔV gw /Δt = A·(B gw - ET gw ) + Q in - Q out + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs A: vízgyűjtőterület (L 2 ) Δt: a vízmérleg időszaka (T) ΔV gw : a tárolt készlet megváltozása az eredeti talajvízszint alatt (L) B gw : beszivárgás a talajvízbe (L/T) ET gw : párolgás a talajvízből (L/T) Q in : oldalirányú beáramlás (L 3 /T) Q out : oldalirányú kiáramlás (L 3 /T) Q sw-gw : a felszíni vizekből származó szivárgás (L 3 /T) Q gw-sw : a felszíni vizeket tápláló felszín alatti víz (L 3 /T) Q abs : vízkivétel (L 3 /T) B gw ET gw Q pin Q pout Q gw-sw Q sw-gw Q abs ΔV gw Vízmérleg a telített zónára

12 Vízfolyások és talajvíz kapcsolata A vízforgalmat a meder ellenállása és a felszíni és felszín alatti víz nyomásszintje közötti különbség határozza meg (a)Q gw-sw = c * ( h gw – h sw ) (b) Q sw-gw = c * ( h sw – h gw ) (c) Q sw-gw = c * ( h sw – h bed ) c: a meder átszivárgási együtthatója gw: talajvíz, sw: felszíni víz, bed: vízfolyás meder (b) kolmatált réteg terep talajvíz vízfolyás (a) (c)

13 A vízmozgás differenciálegyenlete Induljunk ki a vízmérlegből, de úgy, hogy az elem térfogata V, területe A V·s ·Δh/Δt = Q in - Q out + A·(B gw - ET gw ) + Q sw-gw – Q gw-sw – Q abs s: tározási tényező, az egységnyi nyomásváltozásra jutó tárolt készlet változása (1/L) h: piezometrikus potenciál (L) A jobb oldalon a külső forrásokat és nyelőket vonjuk össze és az egész egyenletet osszuk el a térfogattal: s ·Δh/Δt = (Q pin - Q pout )/V + q q: térfogat egységre eső forrás-nyelő (1/T)

14 Figyelembe véve, hogy a jobb oldal első tagja a belépő és kilépő hozam eredője, vagyis a sebességvektornak (v) a V térfogat felületére vonatkozó integrálja, és hogy ennek matematikai azonosságon alapuló kifejtése a vektor divergenciája, valamint, hogy a nyomásváltozás idő szerinti differenciahányadosa helyett a parciális differenciál írható s ·  h/  t = - div (v) + q Ha a sebességet a Darcy-törvény szerint számítjuk, azaz v = - K · grad(h), és a forrás csak a h függvénye, akkor : s ·  h/  t = K · div [ grad (h)] + q = K ·  2 h + q(h) --- Bussinesq-egyenlet A vízmozgás differenciálegyenlete

15 Talajvízháztartási jelleggörbe - adott növényzetre - adotttalajszelvényre - adott meteorológiai viszonyokra BterepETterep EVFterep H m ax Ho Bo Egyszerűsített jelleggörbe ( B gw – ET gw ) átl = f(h átl )

16 Modellezés ADATGYŰJTÉS KONCEPCIONÁLISMODELL SZOFTVERVÁLASZTÁS VERIFIKÁCIÓ KALIBRÁCIÓ VALIDÁCIÓ SZIMULÁCIÓ PARAMÉTER-BECSLÉS ELŐZETES SZÁMÍTÁSOK előkészítő fázis kidolgozási fázis értékelési fázis ÉRTÉKELÉS

17 Modflow Felszín alatti vízmozgás modellezése 3 D telített zóna véges differenciák módszere (vízmérleg) permanens / nem permanens állapot

18 Felszín alatti vízmozgás modellezése vízfolyás tápláló/termelő kút beszivárgás párolgás

19 Felszín alatti vízmozgás modellezése áramlási pályák elérési idő sebesség vektor keresztmetszeti ábrázolás Modflow - PMPATH

20 Felszín alatti vízmozgás modellezése szennyezőanyag transzport: advekció diszperzió adszorpció lebomlás Modflow – MT3D

21 Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface bemenő adatok (grid) domborzat - lejtés talajtípus területhasználat csapadék hőmérséklet szélsebesség potenciális evapotranszspiráció talajvízmélység

22 Felszín alatti vízmozgás modellezése WetSpass – Arcview interface Modflow

23 Miért kell foglalkoznunk ezzel a témával? Az egyes transzport folyamatok erőteljesen befolyásolják a szennyezőanyagok terjedését és a kialakuló koncentráció eloszlást. talajvízmozgás talajvíztükör felszín

24 Anyagmérleg h 1, C 1 h 2, C 2 szorbciós folyamatok advekció lebomlás átalakulás diffúzió és diszperzió advekció, be advekció, ki diszperzió, be diszperzió, ki h 3, C 3

25 oldott anyag koncentrációjának megváltozása advekció (konvekció) be - ki + diffúzió és diszperzió, be - ki + nulladrendű forrás-nyelő elsőrendű forrás-nyelő + felületen megkötött anyag koncentrációjának megváltozása (adszorbció) + = Anyagmérleg

26 t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-]  s : a szilárd váz sűrűsége [M/ L 3] C s : az adszorbeált anyag koncentrációja [M/ M] v: a szivárgási sebesség vektora [L/T] D m : a molekuláris diffúziós együttható [L 2 /T] D k : a diszperziós tényező tenzora (mechanikai vagy kinematikai diszperzió) [ L 2 /T] ,0: a koncentrációtól független (un. nullad-rendű folyamat) együtthatója [M/L 3 /T]  1 : a koncentrációtól függő (un. elsőrendű folyamat) forrás/nyelő együtthatója [1/T] C*: csak peremi pontokra!! = C o, ha távozó vízről van szó (q<0) [M/L 3 ] = C ko, a kívülről érkező víz koncentrációja (q>0) [M/L 3 ] A felszín alatti vizekre vonatkozó transzportegyenlet k

27 dCo/dt = -1/n.div(v.Co) dCo/dt = -1/n.[Co.div(v) + v.grad(Co)] t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-] v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] Az elemi térfogatba vízzel együtt belépő és kilépő szennyezőanyag különbsége v.Co: az egységnyi felületen belépő anyagmennyiség A vízmozgás tényleges sebessége v/n, mert a víz csak a pórusokban mozog Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja

28 Advekció A vízzel együtt mozgó oldott szennyezőanyag transzportja x C ADVEKCIÓ

29 dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +div(D.grad(Co)) dCo/dt = -1/n.div(v.Co) +D.div(grad(Co)) + grad(Co).grad(D) t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3] n: porozitás [-] v: a Darcy-féle szivárgási sebesség vektora [L/T] D: hidrodinamikai diszperziós tényező D = Dm + Dk Dm: molekuláris diffúziós együttható [L 2 /T] Dk: mechanikai vagy kinematikai diszperziós tényező [L 2 /T] Molekuláris diffúzió: a koncentrációkülönbség hatására kialakuló transzport (lineáris függvény – az arányossági tényező a diff. együttható) A kinematikai diszperzió: a sebességvektor irányváltozásaiból adódó szóródás (más fizikai tartalom, de azonos matematikai leírás  D=Dm + Dk) Diffúzió és diszperzió Koncentrációkülönbség kiegyenlítése miatt kialakuló és a sebességvektor változásaiból adódó transzport

30 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Mikroszkópikus diszperzió Lamináris vízmozgás, de ütközés a szilárd szemcsékkel Egyenlőtlen sebességeloszlás Longitudinális diszperzió Transverzális diszperzió

31 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Makroszkópikus diszperzió Geológiai heterogenitás A diszperziós tényező léptékfüggő !!!!

32 Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport Makroszkópikus diszperzió z kxkx C x

33 x C ADVEKCIÓ DIFFÚZIÓ+DISZPERZIÓ Diszperzió A részecskék „szóródásából” adódó transzport

34 Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén Az oldott és a felületen megkötött anyag koncentrációja között egyensúly alakul ki Az adszorbció jelenségét az ún. izotermák írják le. Lineáris izoterma esetén: Cs=Kd.CoK d : megoszlási hányados Amíg ez az egyensúly ki nem alakul, a szennyezőanyag nem terjed tovább. Ha a szilárd váz adszorbciós kapacitása feltöltődött, az ezután érkező szennyezőanyag tovább terjed. Ha az érkező víz hígabb, a folyamat fordítottja játszódik le. Beoldódás (deszorbció) a szilárd vázról.

35 Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén [n.dCo + (1-n).  s dCs]/dt =-div(v. Co) + n.div(D.grad(Co)) ha figyelembe vesszük a lineáris izotermát (Cs = K d.Co) és [1+  d  s (1-n)/n] - nel végigosztjuk az egyenletet, akkor a következőt kapjuk dCo/dt = -div(v/[1+K d.  s (1-n)/n].Co) + n.div(D/[1+K d.  s (1-n)/n].grad(Co)) Az adszorpció hatása tehát látszólag egy kisebb szivárgási sebességgel és diszperziós tényezővel helyettesíthető Ezért hívjuk a kövérrel szedett kifejezés értékét késleltetési tényezőnek. A görbére tehát ugyanaz érvényes, mint az advekcióra és diszperzióra, csak a sebességet és a diszperziós tényezőt értelemszerűen módosítani kell. Nem lineáris izotermák C s = K F.Co N --- Freudlich izoterma C s = K L /(1+Co) --- Langmuir izoterma

36 Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén IZOTERMÁK Adszorbált C s Oldott C 0 LINEÁRISFREUNDLICHLANGMUIR

37 x C ADVEKCIÓ + DIFFÚZIÓ+DISZPERZIÓ Adszorbció Megkötődés a szilárd váz felületén + ADSZORPCIÓ késleltetés

38 Elsőrendű lebomlás A koncentrációtól függő intenzitású lebomlás dCo/dt = Co.  1 lnCo =  1. t + C Co(t=0) = C k ln(Co/Ck) =  1. t Co = Ck.exp(  1.t), Lebomlás: ha  1.< 0 t: idő [T] C o : az oldott anyag koncentrációja [M/ L 3]  1 : a lebomlás együtthatója [1/T] Radioaktív anyagok. Felezési idő : t 1/2 0,5C k = C k. exp(  1.t 1/2 )   1 =ln0,5/ t 1/2 Az áttörési kísérlet végkoncentrációja: Co,vég = Ck.exp(  1.L/v o ) LEBOMLÁS : C=C 0 *exp(  *t)

39 Kémiai átalakulás A nulladrendű lebomlási tagokon keresztül Annyi transzportegyenlet, ahány komponens A reakcióknak az adott komponensre vonatkozó következményei a nulladrendű forrás-nyelő tagokon keresztül jelennek meg A reakciók eredményeit az adott pillanatban érvényes koncentrációk függvényében, külön egyenletrendszer alapján számítjuk, termodinamikai egyetlenrendszer és adatbázis alapján

40 Transzportfolyamatok Advekció+diszperzió+ adszorbció+ lebomláskémiai átalakulás Co C v


Letölteni ppt "Transzportfolyamatok felszín alatti vizekben S.Tombor Katalin Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék."

Hasonló előadás


Google Hirdetések