بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی هیدرولیکی پدیده انتقال و پخش آلودگی در محیط های متخلخل
چکیده
حرکت آلودگی همراه با آب در محیطهای متخلخل به گرادیان هیدرولیکی جریان و پارامترهای انتقال بستگی دارد. پارامترهای انتقال پارامترهایی هستند که توانایی و قابلیت محیط متخلخل را در انتقال آلودگی همراه با آب زیر زمینی بیان می کند. از جمله این پارامترها می توان به ضریب هدایت هیدرولیکی و ضریب پراکندگی اشاره نمود. پیش بینی گسترش، پخش و انتقال آلودگی در یک محیط متخلخل اشباع را می توان بوسیله ایجاد رابطه ای بین دانه بندی، تخلخل و قطر ذرات با پارامترهای مؤثر در پخش آلودگی به انجام رسانید.
در این تحقیق نمونه هایی در محدوده خاکهای شنی و ماسه ای تهیه و تقسیم بندی این خاکها به کمک الکهای استاندارد انجام گرفت. پارامترهایی نظیر قطر میانگین و تخلخل در نمونه ها مشخص شده و ضرایب هدایت هیدرولیکی و پراکندگی اندازه گیری گردید. نتایج بدست آمده نشانگر تغییرات پارامترهای مربوط به پخش آلودگی در آبهای زیرزمینی با دانه بندی و قطر میانگین ذرات می باشد بطوریکه افزایش میانگین قطر ذرات باعث افزایش پراکندگی طولی و ضریب هدایت هیدرولیکی در نمونه های خاک گردید. از جداول ومنحنی های ارائه شده می توان دربرآورد انتشار آلودگی و کنترل آن در آبهای زیرزمینی در آبخوانهای با خاکهای دانه ای استفاده نمود.
واﮊه های کلیدی
انتقال و پخش آلودگی، آبهای زیرزمینی، محیط متخلخل، دانه بندی
مقدمه
طی سالهای اخیردر نتیجه رشد جمعیت و تقاضای روز افزون برای منابع آبی تمایل به استفاده از ذخائر آبهای زیر زمینی افزایش یافته است. با توجه به استحصال بی رویه منابع آب زیر زمینی و استفاده روز افزون از مواد شیمیایی محلول در آب، کیفیت آبهای زیر زمینی بشدت کاهش یافته است. لذا تأکید در زمینه تحقیقات آبهای زیرزمینی به حل مشکلات ناشی از آلودگی آبهای زیرزمینی متمایل گردیده است]١.[
حرکت آلودگی همراه با جریان وپخش آن در محیط متخلخل به گرادیان هیدرولیکی جریان و پارامترهای انتقال و پخش بستگی دارد. پارامثرهای انتقال و پخش پارامترهایی هستندکه توانایی و قابلیت محیط متخلخل را در انتقال و پخش آلودگی همراه با آب زیر زمینی بیان میکنند. از جمله این پارامترها می توان به ضریب هدایت هیدرولیکی و ضریب پراکندگی اشاره نمود. ضریب هدایت هیدرولیکی در انتقال ابر آلودگی همراه جریان و ضریب پراکندگی در پخش و گسترش ابر آلودگی در محیطهای متخلخل موثرند.
تخمین فرآیند های پخش آلودگی در محیط متخلخل به وسیله معادله دیفرانسیل انتقال و پخش صورت می پذیرد. این معادله با فرضیات ساده شونده ای از قبیل هموﮊن، ایزوتروﭖ و اشباع بودن محیط متخلخل، همچنین دائمی بودن جریان و غیر فعال بودن توده آلوده بصورت زیر ارائه شده است ]١:[
در این روابط D ، D* و α بترتیب ضریب پخش، ضریب انتشار و ضریب پراکندگی در محیط متخلخل و V سرعت منفذی جریان میباشند. لازم به توضیح است که سرعت منفذی خود برابر با سرعت دارسی تقسیم بر تخلخل می باشد رابطه (٢)، ارتباط ضریب پخش و سرعت واقعی را نشان میدهد که بوسیله ضریب پراکندگی برقرار شده است و ضریب پراکندگی از مشخصات محیط متخلخل می باشد.
حل تحلیلی معادله دیفرانسیلی فوق در سال ١٩٦١ توسط اوگاتا و بنکس برای منبع آلودگی دائمی در یک نقطه با شرایط مرزی و اولیه , بصورت زیر ارائه شده است]٢.[
لازم به ذکر است که برای ساده سازی مسأله در تحقیقات آزمایشگاهی معمولا" ترم دوم از طرف سمت راست معادله بالا حذف میگردد. حذف این ترم برای محدوده خطایی در حدود ٣% ایجاد می کند که قابل قبول می باشد ]٣.[
با توجه به حل تحلیلی ( برای شرایط اولیه ومرزی اشاره شده) و یا راه حلهای عددی (نرم افزارهای رایانه ای ) میتوان مدلسازی پدیده انتقال و پخش آلودگی را با شرایط مرزی مختلف به انجام رسانید. در مدلسازی این پدیده تخمین صحیح از پارامثرهای هیدرولیکی پخش و انتقال درآبخوان K, α نقش اساسی را ایفا می نماید. به منظور داشتن تخمین و برآورد اولیه صحیح از این پارامتر ها در یک تلاش آزمایشگاهی سعی شده تا ارتباطی بین دانه بندی و پارامتر های پخش برقرار گردد.
روش و لوازم آزمایش
از دیدگاه آزمایشگاهی ضریب پراکندگی ( در شرایط مرزی و اولیه ارائه شده ) با اعمال حل تحلیلی معادله دیفرانسیل پخش وانتقال (معادله ٣) بر اندازه گیریهای انجام شده (نمودار غلظت نسبی بر حسب زمان) بدست می آید. ضریب پراکندگی طولی یک نمونه خاک را میتوان با عبور ردیاب غیر فعال از ستون خاک اندازه گیری نمود .(Soil Column Test) این چنین آزمایشاتی منحنی های غلظت زمان نسبی ردیاب بر حسب زمان و مکان در ستون خاک را ارائه میکنند Curves) و بوسیله اعمال حل تحلیلی بر این نمودارها ، ضریب پراکندگی برای نمونه خاک مورد نظر بدست می آید. بمنظورتعیین ضریب هدایت هیدرولیکی خاکهای مختلف طبق استاندارد ASTM ، روشهای مختلفی بسته به نوع خاک موجود میباشد. برای خاکهای دانه ای عمدتأ از آزمایش هد ثابت با دستگاه با محفظه صلب استفاده میشودو با اندازه گیری گرادیان و دبی عبوری از نمونه با بکارگیری رابطه دارسی مقدار ضریب هدایت هیدرولیکی برای نمونه های مورد نظراندازه گیری میشود ]٤.[
نمونه های مورد آزمایش
چهار نمونه خاک با دانه بندی تقریبأ یکنواخت در محدوده شن و ماسه انتخاب گردید. به این ترتیب که بوسیله الکهای ٤ ،٨ ،١٦ و٤٠ جداسازی انجام گرفت. هر یک از نمونه ها عبارتند از مانده بر روی هر الک و رد شده از الک درشت تر که کاملأ شسته شده و عاری از ریز دانه میباشند. قطر میانگین هر یک از نمونه ها میانگین قطر سوراخهای الک کوچکتر و الک بزرگتر در نظر گرفته شده است که مشخصات آن در جدول ١ تا ٤ آورده شده است.
ستون خاک
ستون خاکی به این منظور ساخته و راه اندازی شد که بوسیله آن بتوان ضریب هدایت هیدرولیکی و ضریب پراکندگی را در خاکهای دانه ای اندازه گیری نمود. ستون خاک عبارتست از استوانه ای به قطر ١٠ سانتی مترو به طول ٥٠ سانتیمتر به همراه دو سنگ متخلخل در بالاوپائین که نمونه ها را در خود جای میدهد و ٢ مانومتر که به فاصله ٣٠ سانتی متری از هم به ستون متصل شده اندو هد جریان را اندازه گیری مینمایند. مخزن آبی در ارتفاع قرار گرفته وهد لازم برای جریان از پائین به بالا را تامین میکند. به منظور اندازه گیری و نحوه پخش رد یاب در ستون خاک مجرایی در قسمت تحتانی ستون خاک برای تزریق ماده ردیاب همراه با جریان در نمونه خاک وچند نمونه گیر جریان در طول استوانه به فاصله٢٠ سانتی متری تعبیه گردیده است. نمونه گیرها برای تعقیب ردیاب در طول ستون خاک و در انتهای آن در این دستگاه تعبیه گردیده اند تا اندازه گیریهای غلظت نسبت به زمان و مکان برای خاکهای دانه ای امکان پذیر باشند (شکل ١).
ردیاب((Tracer
محلولی از کلرید پتاسیم((KCl با غلظت اولیه ١٠ میلی زیمنس بعنوان ردیاب استفاده گردید. از مزایای این ردیاب میتوان به عدم واکنش شیمیائی با خاک ، جذب سطحی اندک برروی دانه ها و سهولت در اندازه گیری غلظت محلولهای آن اشاره نمود. اندازه گیری غلظت ردیاب توسط دستگاه اندازه گیری هدایت هیدرولیکی محلولها (Conductometer) انجام پذیرفت.
نحوه انجام آزمایش
نمونه ها طوری در داخل ستون خاک قرار داده شدند که تخلخل آنها در حدود ٤٠ درصد برای تمام آزمایشات یکسان باشد. پس از قرارگیری نمونه ها در ستون خاک جریان بصورت آرام به داخل ستون خاک هدایت شده و همزمان با ورود جریان حباب های هوای داخل نمونه ها توسط پمپ خلأ تخلیه شده و نمونه ها کاملاﹰ اشباع گردیدند. برای هر نمونه خاک در چندین آزمایش (که برای هر آزمایش ستون خاک تخلیه وتراکم مجدد انجام گرفته است) با دبی متفاوت ضرایب هدایت هیدرولیکی و پراکندگی محاسبه گردید. با توجه به روابط حاکم در پخش و انتقال که از قانون دارسی تبعیت می کند، تغییرات دبی طوری انتخاب شده است تا جریان بصورت آرام (Re<4) نگهداشته شود. درتحقیقات گذشته حد بالای عدد رینولدز در خاکهای دانه ای برای برقراری جریان آرام بین ١ تا١٠ گزارش شده است
با اندازه گیری دبی خروجی از ستون خاک بصورت حجمی توسط استوانه مدرج و اندازه گیری هد جریان از طریق مانومترها، بوسیله رابطه دارسی ضریب هدایت هیدرولیکی نمونه ها محاسبه شد. بمنظور اندازه گیری پراکندگی طولی، ردیاب از مجرایی که بدین منظور تعبیه شده به داخل ستون خاک تزریق شد. پس از اندازه گیری غلظت ردیاب خروجی از ستون خاک توسط دستگاه اندازه گیری هدایت هیدرولیکی محلولها، با تقسیم این غلظت بر غلظت اولیه ردیاب، نمودار غلظت نسبی بر حسب زمان بدست آمد. با اعمال حل تحلیلی بر این نمودارها، مقدار پراکندگی طولی نمونه ها محاسبه گردید. نمونه ای ازنمودار غلظت ردیاب خروجی بر حسب زمان (BTC) در شکل ٢ نمایش داده شده است.
