بخشی از مقاله
خلاصه
آبهای زیرزمینی از مهمترین منابع آب موجود در کره زمین میباشند که در سالیان اخیر با افزایش آلودگی مواجه شدهاند. در تحقیق حاضر، یک مدل عددی سه بعدی جریان و انتقال آلاینده هیدروکربنی در محیط متخلخل اشباع، به روش حل عددی حجم محدود و منقطع سازی شکاف زمانی توسعه داده شده است. نتایج حل معادله جریان آب زیرزمینی، یعنی سطح آزاد آب و مولفه های سرعت به عنوان ورودی مدل سه بعدی انتقال آلاینده مورد استفاده قرار میگیرند.
پس از تهیه مدل عددی، صحت سنجی آن بوسیله دو آزمون انجام شده است. مقایسه نتایج مدل عددی با روشهای تحلیلی و دادههای آزمایشگاهی عملکرد صحیح مدل تهیه شده را تائید مینماید. در ادامه جهت معرفی کاربرد مدل، مثالی ارائه و نتایج حاصل از آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. مدل توسعه داده شده با قابلیت لحاظ نمودن توزیع آلودگی در خاکهای ناهمگن لایهای، میتواند کمک شایانی در انتخاب روش مناسب حفاظت و پاکسازی آبخوانها نماید.
1. مقدمه
در حال حاضر مسئله تامین آب و همچنین حفظ محیط زیست به عنوان یک موضوع اساسی در جهان و به خصوص در کشور ما به شمار میآید. یکی از مهمترین منابع آب مصرفی، آبهای زیرزمینی میباشند، که امروزه به دلایل گوناگونی در معرض آلودگی قرار دارند. یکی از انواع آلودگیها محیط زیست، آلودگی سیستم های زیرسطحی است. برای حفظ منابع آب های زیرزمینی از آلودگی به انواع مختلف آلایندهها، راهکارهای مختلفی پیشنهاد میشود.
استفاده صحیح از روشهای پاکسازی، وابسته به درک چگونگی انتقال آلودگی در آبهای زیرزمینی است. نفوذ آبهای سطحی آلوده، پساب ها، فاضلابهای صنعتی و شهری و سایر عناصر آلوده کننده شیمیایی به خاک موجب آلوده شدن خاک و آبهای زیرزمینی میشود. آلودگی خاک ها به مراتب مضرتر از آلودگی آبهای سطحی است زیرا که در صورت آلوده شدن، خاک به عنوان یک منبع آلوده کننده دائمی عمل میکند و جریان های آب زیرزمینی که از خلل و فرج خاک میگذرد مقداری از این آلودگی را با خود حمل میکنند و در نتیجه آن، آبهای زیرزمینی آلوده میشود.
هنگامی که آلاینده موجود در داخل خاک از نوع نفتی باشد شکل این معضل دو چندان شده و زمان آلوده شدن محیط نیز به سرعت افزایش مییابد - باقری . - 1381 به همین علت مبحث آلودگی خاک ها توسط آلایندههای نفتی، در سال های اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است. با وجود اینکه مسئله، مورد مطالعه شاخه های گوناگون علوم مهندسی میباشد نوع نگاه در هر حوزه تقریبا متفاوت بوده است.
در مناطقی که سطح آب زیرزمینی به سطح زمین نزدیک تر است احتمال آلودگی آب زیرزمینی تقویت میشود چرا که در صورت پایین بودن سطح آب، آلودگی های جزئی قبل از رسیدن به سفره آب زیزمینی توسط دانه های خاک جذب میشوند. تاکنون محققین مختلفی به بررسی جریان آب زیرزمینی و انتقال و انتشار آلاینده در محیط-های متخلخل به صورت تحلیلی، آزمایشگاهی و عددی پرداختهاند که در ادامه شرح مختصری از آنها ارائه میگردد. از ابتدایی ترین مدل ها برای شبیه-سازی و تخمین حرکت آلاینده در محیط متخلخل اشباع، میتوان به مدل تهیه شده توسط اِنفیلد و همکاران - 1982 - اشاره نمود. در این مدل که حرکت آلاینده را به صورت یک بعدی بررسی میکرد، از ترم انتشار به دلیل تاثیر کم آن صرفنظر شده بود.
در این مدل تاثیر پارامترهای مختلف خاک و آلاینده در انتقال آلاینده مورد بررسی قرار گرفته است. سیرواستاوا و یه - 1992 - یک مدل عددی سه بعدی برای انتقال آلاینده محلول واکنشزا در محیط متخلخل با درجه اشباع متغیر پیشنهاد نمودند. آنها برای حل معادلات غیرخطی جریان و معادلات انتقال آلاینده در محیط متخلخل از روش اجزا محدود استفاده کردند. مونتاس و همکاران - 1999 - الگوریتمی ارائه دادند که تشخیص مستقیم یک منبع آلودگی نفتی تحت شرایط میدان جریان مشخص را ممکن میساخت.
در این مقاله بر اساس مفهوم تئوری تابع انتقال، نشان داده میشود که یک مجموعه غلظت مشاهده شده، همه اطلاعات لازم را برای پیش بینی مقدار غلظت در منبع آلودگی نامشخص را در بر دارد. آمازیانه و همکاران - 2004 - مدلی عددی برای بررسی انتقال آلاینده در محیط متخلخل ناهمگن ارائه دادند. مشخصات روش عددی استفاده شده در این مدل، روش عددی اجزا محدود برای حل معادلات دارسی و روش عددی حجم محدود برای معادله انتقال میباشد. دربندی و دقیقی - 2007 - مدلی عددی به منظور تعیین سطح تراوش آب در داخل سفرههای آب زیرزمینی با استفاده از روش حجم محدود و شبکه بندی متحرک ارائه دادند. این محققین به منظور بالا بردن سرعت همگرایی در روند حل معادله از ضریب تصحیح فوق تخفیفی استفاده نمودند.
ایگبوکوی و آرچی - 2011 - مدلی برای شبیه سازی جریان آب زیرزمینی ارائه نمودند. این مدل معادلات جریان را با روش تفاضل محدود و بر روی شبکه منظم حل میکرد. از ویژگی های این مدل قابلیت حل در مسائل با هندسه نسبتاً نامنظم میباشد. در سال 2012 پائلوس و همکاران روش نوینی برای حل معادله جریان در محیط متخلخل غیراشباع ارائه نمودند. این مدل فرض میکند که در راستای قائم فقط نفوذ آب انجام میگیرد و در راستاهای جانبی پدیده انتقال جرم وجود دارد.
روش حل این معادلات به صورت سه بعدی و به روش حجم محدود می-باشد و برای منقطع سازی زمانی از روش ضمنی و برای سایر پارامترها از روش صریح با دقت مرتبه دوم استفاده شده است. هولوگابالی و همکاران - 2014 - مدلی دو بعدی برای انتقال آلاینده محلول در محیط متخلخل اشباع پیشنهاد دادند. این مدل بیان کننده یک روش عددی برای انتقال دو بعدی آلاینده در محیط متخلخل اشباع به روش تفاضل محدود میباشد.
نتایج این مدل با خروجی های نرمافزار CTRAN که معادلات جابجایی و انتشار آلاینده را به صورت اجزا محدود حل میکند، مورد بررسی قرار گرفته است. احمدی و همکاران - 2016 - مدل عددی دو بعدی برای جریان آب و انتقال آلودگی در خاک های لایه ای ارائه نمود. این مدل که از روش حجم برای حل معادلات بهره می برد قادر است نحوه توزیع آلودگی در خاک های با لایه بندی متفاوت را پیش بینی نماید. هدف از تحقیق حاضر، توسعه یک مدل عددی سه بعدی جریان آب زیرزمینی و انتقال آلودگی در محیط های متخلخل اشباع میباشد. مدل عددی توسعه داده شده، توانایی محاسبه سطح سفره آب زیرزمینی، سرعت تراوش آب در داخل خاک وهمچنین پیش بینی گسترش و پخش مواد نفتی نشتی در محیط متخلخل ناهمگن و لایه بندی شده به وسیله آبهای زیررمینی را خواهد داشت.
2. معادلات حاکم
این قسمت به معرفی معادلات حاکم بر جریان آب زیرزمینی و انتقال آلاینده اختصاص دارد. از حل معادلات یاد شده چگونگی حرکت آلاینده محلول تحت جریان آب زیرزمینی حاصل میشود.
.2-1 معادله حاکم بر جریان آب در داخل خاک و انتقال ماده محلول در محیط اشباع
از ادغام قانون دارسی و معادله پیوستگی، معادله دیفرانسیلی جریان آب زیرزمینی به دست میآید.که در آن K ضریب هدایت هیدرولیکی، h برابر با مقدار هد آب و SS ضریب ذخیره است. معادله بالا، معادله اصلی جریان آب زیرزمینی در داخل خاک اشباع هست که یک معادله دیفرانسیل جزئی است که از حل آن توزیع زمانی و مکانی بار هیدرولیکی در آبخوانها به دست میآید. معادله دیفرانسیلی انتقال آلاینده در محیط اشباع، در حالت کلی به فرم زیر میباشد. در این رابطه، D ضریب پراکندگی، C غلظت آلاینده، v سرعت جریان تراوش، ضریب واپاشی ماده و Rd ضریب تأخیر است.معادله فوق شامل پدیدههای جابجایی، پراکندگی، واکنشهای شیمیایی و جذب سطحی میباشد.
