Környezeti kárelhárítás Ács Tamás acs.tamas@vkkt.bme.hu Környezeti kárelhárítás Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben

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?

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

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.

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 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 Delauney háromszögek mintavételi helyek Thiessen poligonok

előre meg kell határozni az interpoláció (extrapoláció) határait Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 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 a „legkülső pontokon kívül a Thiessen poligonoknak nincs külső határoló éle előre meg kell határozni az interpoláció (extrapoláció) határait interpoláció

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 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 Legyen ismert a koncentráció Qi (i=1…n) pontokban: zi Keressük P pont értékét: zp Lépések: Thiessen poligon az keresett értékű pont és a mintavételi helyek között az új Thiessen poligon területe: AT új és eredeti Thiessen poligonon metszetének területei: Ai súlyok: keresett érték számítása: P

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 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 a P és Qi pontok közötti távolság számítása: súlyok: keresett érték számítása: P hi,p paraméter, ami azt határozza meg, hogy mekkora súlya legyen a távolabbi pontoknak

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: IDW (inverse distance weighting) példa: adott 6 mintavételi pont (Qi) koordinátái (x,y) és a mért koncentrációk (zi) keressük P(4.0, 4.0) pontban a koncentráció értékét (zp) a P és Qi pontok közötti távolságok számítása: súlyok számítása: legyen k paraméter értéke először k=1, majd k=100: keresett érték számítása P-ben: Q x y z 1 1.2 1.0 2.00 2 1.7 5.1 4.00 3 3.1 2.3 4 4.1 5.8 6.00 5 4.9 2.1 3.00 6 6.0 4.3 kis k közel egyenlő súlyok nagy k közelebbi pont számít i hi,p 1 4.10 2 2.55 3 1.92 4 1.80 5 2.10 6 2.02 átlag=3.50 Q w (k=0.1) w (k=100) 1 0.16 0.00 2 0.17 3 4 1.00 5 6   x y zp (k=0.1) zp (k=100) P 4.0 3.52 5.99

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: 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

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: Kriging (krigelés) Lépések: távolságok számítása a mintavételi pontok (Qi) között, valamint P és Qi pontok között: fél-varianciák számítása Qi értékei (zi) alapján: empirikus fél-variogram ábrázolása:

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: Kriging (krigelés) Lépések: 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. telítési érték partial sill (PS) néhány elméleti variogram függvény sill (S) egy ponton több eltérő eredményű mérés v. hibás mérések nugget (N) range (R) ezen a távolságon belül van kapcsolat a pontok között

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

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

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Példa: nátrium koncentráció a talajvízben - (B)=200 mg/l : Kriging: logaritmikus Kriging: lineáris Kriging: gömb Kriging: exponenciális IDW k=2 mintavételi helyek IDW k=10 Nearest neighbor Natural neighbor nincs jelentős különbség az előzőhöz képest még mindig majdnem ua., pedig az elméleti variogram egészen különböző egészen más, elnyújtott hatása van, pedig a variogram illeszkedése jó volt a nagy k érték miatt a legközelebbi mérések értékei dominálnak, így hasonló a Nearest neighbor-hoz szakadásos felület, a Thiessen poligonok határán éles váltás sokkal simább felület, de a mintavételi pontok által bezárt területen kívül nem működik 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 nagyon nem mindegy, hogy milyen módszert használunk!

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 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:

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

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 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 dh/2 kék érvényes sárga érvényes zöld érvényes dh egy lehetséges felosztás talajban feltételezve, hogy a koncentráció változás mértéke konstans egy lehetséges felosztás talajvízben feltételezve, hogy a víznél nagyobb fajsúlyú a szennyező vízrekesztő barna érvényes piros érvényes

Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Szennyezett térfogat meghatározása: talajban: talajvízben: i-edik mélységhez tartozó (B) határérték felett szennyezett terület [L2] i-edik mélységhez tartozó mélységköz [L] i-edik mélységhez tartozó mélységköz átlagos porozitása [-]

analitikus számítások v. transzport modellezés Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása 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

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.

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 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 5 év 10 év 30 év 50 év

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) 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. 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. 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. 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. 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. 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 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.

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 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 1. advektív (konvektív) transzport 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 kérdés: milyen sebességgel áramlik a víz? Darcy: de ez teljes keresztmetszetre vonatkozik, pedig a víz csak az egymással összefüggő (átjárható) pórusokon keresztül áramlik 25

egyensúlyra törekszik a rendszer 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) 26

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport Fick I. törvénye írja le a diffúziós terjedést: a diffúziós tömegáram így írható fel: Ddiff [L2/T]: diffúziós tényező anyagfüggő a porózus közegre érvényes és mindig kisebb, mint a vizes közegben mérhető diffúziós tényező (D0) általában D0 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 Ddiff, ott a hidraulikus gradiens hajtotta meg a folyamatot, itt pedig a koncentráció gradiens 27

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

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

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

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport 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 porozitás longitudinálisdiszperzivitás horizontális transzverzális diszperzivitás vertikális transzverzális diszperzivitás 31

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

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok 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 az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció kicsi, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék ”üresek” egyensúly alakul ki, a szennyezőanyag továbbhalad, nem kötődik meg és a szilárd vázról sem válik le a szennyezőanyag megkötődik a szilárd vázon a szennyezőanyag leválik a talajról és oldatba lép 33

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok Csz: adszorbeált anyag koncentrációja [M/Mszárazanyag] C: oldott anyag koncentrációja [M/L3] a folyamatot izotermákkal írják le általában telítési görbe jellegű az izoterma gyakran használt izotermák: Freundlich (exponcenciális): Henry (lineáris): Langmuir (logaritmikus): , ahol Cmax az adszorbeált szennyező telítési koncentrációja [M/Mszárazanyag] Freundlich Henry Langmuir Lineáris: Kd: megoszlási hányados 34

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás 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

koncentráció t=0 időpontban Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás 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 exponenciális kifejezés koncentráció t=0 időpontban lebomlási tényező lineáris kifejezés 36

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 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/L3] V x z y Fki,z Fbe,y Fbe,x a hasábban a szennyezőanyag tömegének megváltozása egységnyi idő alatt: Fki,x Fki,y Fbe,z A=dxdy=dxdz=dydz, vagyis a sebességvektorokra merőleges felület

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 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 Innentől kezdve ebből indulunk ki!

Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 1. advektív (konvektív) transzport ugyanazt jelenti (v=q), qx=vx, qy=vy, qz=vz Mivel és veff-t beírva vx, vy és vz helyére, és mivel neff nem függ a vizsgált iránytól, így kiemelhető: ugyanaz, mint advektív transzportot leíró egyenlet 39

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

diszperziós transzportot Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 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 41

szorpciós transzportot Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 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/L3] szorpciós transzportot leíró egyenlet 42

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

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

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. 45

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

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