بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین عوامل آلوده کنندۀ آبهای زیرزمینی، نیترات است. فعالیتهای مختلف بشری از جمله استفاده از کودهای شیمیائی در کشاورزی، باعث ورود نیترات به آبهای زیرزمینی می گردد. در این مقاله تأثیر دینامیکی رطوبت خاک بر چرخه های کربن و نیتروژن، با ارائه ارتباطی بین نمونه رطوبت خاک و معادلات دیفرانسیلی غیر خطی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. در حال حاضر تحقیقات گسترده ای در ارتباط با مدل سازی کنترل رطوبت خاک در جریانهای دارای محلول انجام می گردد. برای این عمل، منفصل سازی معادلات قانون بقاء انرژی، با روش خاص صورت می گیرد. مدل ریاضی حاکم بر جریان دارای نیترات در محیط غیر همسان بصورت معادلات ترکیبی ارائه شده است.
در این مدل، معادلات برای پخش در محیط چندگانه و قانون دارسی ، مد نظر قرار گرفته شده است. سپس با استفاده از روش حجم محدود، منفصل سازی جریان دارای نیتروژن در محیط متخلخل، صورت می گیرد. شار جریان از تقریبهای تفاضل مرکزی و یا از تقریب متکی به بالادست، بدست می آید. برای مطالعه موردی، دشت مشهد در نظر گرفته شده است. با انجام عملیات کالیبراسیون نتایج اندازه گیری شده با نتایج عددی استفاده از روش حجم محدود منطبق شده است. پس از آزمایش مدل می توان نحوۀ تغییرات نیترات را در گره های دیگر شبکه محاسباتی، پیش بینی نمود. با استفاده از این پیش بینیها ، وضعیت آبهای آشامیدنی برای چندین سال بعد مشخص می شود. با انجام مدلسازی عددی به روش حجم محدود مشخص میگردد که کیفیت آب آشامیدنی برای دشت مشهد در ده سال آینده مناسب است.
مقدمه
مصرف آب آشامیدنی حاوی عناصر و ترکیبات شیمیائی بیش از حد مجاز، باعث بروز عوارض و بیماریهائی در انسان و حیوان می گردد. از جمله ترکیبات شیمیائی موجود در آب نیتراتها و ترکیبات آمینونیترو می باشند، که اثرات بیماری زائی آنها اثبات شده است. نیترات موجود در آب چاهها عامل بروز بیماری متهموگلوبین - Methemoglobin - درکودکان می گردد. احیاء نیترات به نیتریت در معده اطفال باعث مسمومیت نیتراتی می گردد. نیتریت، هموگلوبین خون را اکسید کرده و به آهن فریک تبدیل می نماید. آهن هموگلوبینی از صورت 2 ظرفیتی به 3 ظرفیتی تبدیل خواهد شد و ایجاد رنگیزه قهوه ای رنگی به نام متهموگلوبین می نماید. این ترکیب جدید قادر به حمل و آزاد ساخن اکسیژن در بافتها نمی باشد و بیماری متهموگلوبین را بوجود می آورد.[9]
مصرف کودهای شیمیائی ازته نظیر سولفات آمونیوم - NH4 - 2So4 - - ، اوره - CO - NH4 - 2 - ، کربنات آمونیوم - - NH4 - 2 CO3 - ، نیترات پتاسیم - KNO3 - ، نیترات کلسیم - Ca - NO3 - 2 - ، فسفات آمونیوم - - - NH4 - 3 PO4 و نیترات سدیم - NaNo3 - ، از منابع مهم ورود نیترات به آب و خاک می باشند. رشد سریع جمعیت باعث شده که مصرف کودهای ازته برای بدست آوردن تولیدات بیشتر بطور روزافزون افزایش یابد. گیاهان نمی توانند تمام ازت موجود در خاک را جذب نمایند.
بسته به نوع گیاه و شرایط محیطی، گیاه حدود 25 تا 85 درصد، ازت موجود در خاک را جذب می نمایند. بنابراین مقدار زیادی از ازت جذب گیاه نشده و از طریق نفوذ آبهای سطحی و یا آب باران وارد آبهای زیرمینی می گردد.[4] در مناطقی که زمین کاربری کشاورزی دارند و کود شیمیائی ازته جهت تقویت زمین استفاده می گردد، مقدار ازت ورودی به آبهای زیرزمینی 3 تا 10 برابر بیشتر از مناطقی است که از کود شیمیائی استفاده نمی گردد.[6] بنابراین برای مطالعه آلودگی آبهای زیرزمینی بر اثر نیترات، باید مطالعات گسترده انجام گردد.
برای مطالعات با مقیاسهای بزرگ، معمولاً انجام تمامی آزمایشاها، پرهزینه یا غیر ممکن می باشد. بنابراین باید شبیه سازی عددی جایگزین آزمایشها شوند. مدلهای عددی باید به ابزارهای استاندارد برای برآورد نحوۀ پاسخ چاه به تغییرات نرخ پمپاژ، چگالی چاه ها و تأثیر نیترات ، مجهز شوند. در حالت کلی حل عددی جریان در محیط غیر اشباع دارای خاکهای غیر همسان مورد بررسی قرار می گیرد. برای منظور نمودن نیترات در معادلات حاکم، روش پورپوریت - Porporate - و همکارانش ارائه شده است.[8]
مواد آلی و نیتروژن معدنی با پنج گروه که نشان دهندۀ زباله، گیاه خاک ، آمونیاک و نیترات می باشند تعریف می گردند. در سالهای اخیر تمایل زیادی در استفاده از روش حجم محدود برای تهیه مدلهای عددی آبهای زیرزمینی بوجود آمده است. این روش برای کاربردهای مختلف در عملیات منفصل سازی، دارای پیوستگی محلی می باشد. برای منفصل سازی معادلات ذکر شده در این مقاله از روش حجم محدود استفاده گردیده است.[5] برای مطمئن شدن از آنکه اطلاعات هر مدل آب زیرزمینی قابل استدلال بوده و نمایانگر شرایط جریان واقعی در لایه آبدار می باشد، باید مدل کالیبره شود. یکی از مهمترین راههای کالیبراسیون در چاههای منطقه ، محاسبه میزان غلظت یا نیترات در بعضی از نقاط مدل و ارزیابی آن با نتایج آزمایشگاهی می باشد.
معدنی شدن ترکیبات نیتروژن معدنی شدن ترکیبات آلی نیتروژن در سه واکنش مرحله به مرحله صورت می گیرد. این سه مرحل شامل: آمینه شدن، آمونیاکسازی و شورهسازی میباشند. دو واکنش اول از طریق میکروارگانیزمهای خاص و واکنش سوم عمدتاً به وسیله باکتریهای خود خوراک ساز خاک، انجام می گیرد. این نوع ارگانیزمها برای تأمین انرژی خود به ترکیبات آلی کربن دار نیازمند می باشند. ارگانیزمهای خود خوراک ساز انرژی خود را از اکسایش نمکهای معدنی و کربن خود را از کربن دیوکسید موجود در اتمسفر تأمین می نمایند.جمعیت میکروارگانیزم های از گروه های متعدد باکتری و قارچ تشکیل شده است. هر یک از این گروه ها مسئول یک یا چند مرحله از واکنشهای متعدد تجزیه ماده آلی است. محصولات نهایی فعالیتهای یک گروه ، مواد اولیه گروه بعدی را فراهم می سازد. این عمل به همین ترتیب ادامه می یابد، تا ماده تجزیه گردد.[7]
