بخشی از مقاله
چکیده
آزمایش ردیابی به عنوان قابل اطمینان ترین و کارآمد ترین روش جمع آوری اطلاعات هیدرولیکی سطحی و زیر سطحی خصوصا در آبخوانهای کارستی، درزه ای و همچنین آبخوانهای آبرفتی در اغلب نقاط دنیا مورد استفاده قرار میگیرد. بطورمعمول انجام آزمایش ردیابی کمی سخت تر و وقت گیرتر از آزمایش ردیابی کیفی است؛ ولیکن مزایای ردیابی کمی در ارتباط با شناخت سیستمهای هیدرولیکی بمراتب بیشتر از ردیابی کیفی است.
آزمایشات ردیابی میتوانند نقش مؤثری در تعیین سرعت و جهت جریان آب زیرزمینی و پیش بینی مسیر و غلظت آلاینده های شیمیایی در نقاط مورد نظر ایفا نمایند. بدیهی است صحت و دقت این پیش بینی ها بستگی به تعیین دقیق و صحیح پارامترهای مؤثر در پدیده پخش و انتقال آلاینده ها در یک آبخوان نظیر سرعت جریان، مقدار جریان، مقدار ماده ورودی، پخشودگی و غیره دارد.
جهت تعیین پارامترهای مذکور میتوان نتایج آزمایشات ردیابی انجام شده در یک آبخوان را بکمک برنامه های کامپیوتری تفسیر نمود. یکی از قابلیتهای برنامه های کامپیوتری ترسیم منحنی های غلظت-زمان در نقاط مشاهداتی مورد مطالعه میباشد. ضمن آنکه بکمک تطبیق منحنی های مشاهداتی و محاسباتی میتوان مقادیر پارامترها را تعدیل و تصحیح نمود.
شناسایی خودکار پارامترهای پراکندگی بوسیله روشهای کمترین مربعات غیر خطی از دیگر مزیتهای استفاده از برنامه های کامپیوتری میباشد. پیش بینی پخش و انتشار مواد آلاینده تزریق شده در نقاط مختلف آبخوان و تعیین غلظت آلاینده های شیمیایی در نقاط مذکور از اساسی ترین مزیتهای برنامه های کامپیوتری میباشد.
نرم افزار TRACI که در این نوشتار مورد بحث قرار میگیرد برنامه ای کارآمد، قابل اعتماد و کاربر دوست بوده و جهت اجرا بر روی رایانه های شخصی دارای محیط عامل ویندوز طراحی شده است در این تحقیق تفسیر منحنی های غلظت - زمان چندین آزمایش ردیابی که منجر به تعیین عواملی نظیر پارامترهای پراکندگی و جهت جریان و همچنین عامل بازیافت - درصد بازیافت - ماده ردیاب میشود، مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
انجام آزمایش ردیابی کمی در سیستمهای هیدرولوژیکی جهت ارائه اطلاعات دقیق در مورد دینامیک جریان صورت می پذیرد. از مهمنرین اهداف کمی میتوان به تعیین مقادیر تغذیه، تخلیه و حجم دینامیکی آبخوان، سرعت جریان آب زیرزمینی و ضریب پخشودگی آلاینده ها اشاره نمود. چنین اطلاعاتی را بطور معمول نمیتوان از یک آزمایش ردیابی کیفی بدست آورد، از مهمترین اهداف کیفی میتوان به مواردی نظیر نحوه ارتباط هیدرولیکی آبخوانهای کارستی و غیر کارستی، نحوه ارتباط هیدرولیکی حوضه های آبریز، تعیین مناطق تغذیه آبخوان، تعیین گستره آبخوان و نوع جریان، تعیین جهت و مسیر آب زیرزمینی، تعیین منشا آلاینده های آبخوان و نحوه پراکندگی آنها اشاره نمود.
با توجه به اهداف فوق ، استفاده از مدلهای عددی و تحلیلی رو به در سالهای اخیر افزونی نهاده است. بطور معمول مدلهای عددی جهت شبیه سازی آبخوانهایی با وضعیت هندسی پیچیده مورد استفاده قرار میگیرند، حال آنکه مدلهای تحلیلی در حالتهای ساده کاربرد دارند. اولین گام در جهت شبیه سازی پدیده انتقال آلاینده ها در سفره های آب زیرزمینی تعیین و ورود پارامترهای پراکندگی محیطهای متخلخل اشباع در این نوع مدلها میباشد.
صحت و دقت پیش بینی یک مدل بستگی به تعیین دقیق و صحیح پارامترهای مؤثر در پدیده پخش و انتقال آلاینده ها در یک آبخوان نظیر سرعت جریان، مقدار جریان، مقدار ماده ورودی، پخشودگی و غیره دارد.کاربرد راه حلهای تحلیلی بسیار ساده تر و اقتصادی بوده و وسیله مؤثرتری جهت تعیین پارامترهای پراکنش یک محیط متخلخل میباشد.
یکی از راههای مؤثر تعیین پارامترهای پراکنش در مدلهای تحلیلی و عددی، مقایسه نموداری داده های مشاهداتی و محاسباتی میباشد. این نوشتار سعی دارد نحوه کاربردهای مختلف یکی از نرم افزارهای مربوط به تفسیر آزمایشات ردیابی بنام Traci را که از راه حلهای تحلیلی جهت شبیه سازی جریانهای یک بعدی، شعاعی، درزه ای و کارستی استفاده میکند را تشریح نماید.
-2 مواد وروشها
آزمایشات ردیابی معمولا جهت تشخیص مسیر آب جاری در آبهای زیرزمینی، دریاچه ها، رودخانه و خطوط لوله انجام می پذیرد . [10] موادی که بعنوان ردیابهای شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرند، بایستی دارای خصوصیات زیر باشند:
· اولا در آب قابل حل بوده و غلظت آنها موجب تغییر دانسیته آب نگردد.
· ثانیا مواد ردیاب نبایستی واکنشی بر محیط اطراف خود - فاز جامد و بخار - داشته باشند.
· ثالثا مقدار ماده باقیمانده پس از خاتمه آزمایش ردیابی بسیار اندک باشد یا به عبارت دیگر مقدار زیادی از ماده بسهولت از محیط خارج گردد، بگونه ای که مصرف آب ردیابی شده زیانی به مصرف کنندگان از آن نرساند.
· در غلظتهای کم قابل اندازه گیری باشد و بطور معمول در آبهای طبیعی وجود نداشته باشد یا مقدار آن بسیار ناچیز باشد.
از ردیابهای متداول در مطالعات ردیابی میتوان از فلورسئین سدیم، رودامین و هالوییدها همانند کلرایدها، برمیدها و یدیدها را نامبرد. رنگهای آلی مانند فلورسئین سدیم حتی در غلظتهای کم قابل تشخیص هستند، لیکن توسط ذرات رس موجود در محیط جذب میگردند. یون کلرور، هنگامیکه در غلظتهای کم بکار برده شود، ردیاب خوبی است. مواد رادیو اکتیو نیز براحتی قابل استعمال بوده وهم در تشخیص بسیار حساس هستند، بگونه ای که حتی در غلظتهای ناچیز قابل اندازه گیری هستند.
این مواد در خصوصیات جریان موجود در محیط متخلخل تغییراتی پدپد نمی آورند و تنها تحت تاثیر خاصیت تبادلی بازی و پدیده های جذب قرار می گیرند. اندازه گیری غلظت ماده ردیاب نمونه های آب برداشت شده توسط یک دستگاه فلوریمتر ترنر استاندارد انجام میگردد. در یک جریان طبیعی آب زیر زمینی، ردیاب به یک نقطه بالادست از جریان تزریق میگردد. محل نقطه تزریق ردیاب در بالادست جریان و محل نقاط مشاهداتی در پایین دست جریان توجه به مطالعات قبلی در ارتباط با جهت جریان تعیین ومشخص میگردد. سرعت جریان طبیعی در یک سفره آب زیرزمینی با فرض اینکه محیط متخلخل همگن، همروند، اشباع و همچنین قانون دارسی نیز در آن صادق باشد، با استفاده از رابطه زیر تعیین میگردد.
شیب یا گرادیان هیدرولیکی جریان توسط اختلاف فاصله - dl - و اختلاف ارتفاع - dh - نقاط تزریق و اندازه گیری قابل تعیین میباشد. ضمن آنکه دانستن مقادیر هدایت هیدرولیکی - K - ، تخلخل مؤثر - - موجب محاسبه سرعت جریان میگردد. با استفاده از مقدار سرعت و فاصله بین نقطه تزریق و نقطه مشاهداتی میتوان زمان پیمایش ردیاب را محاسبه نمود.
درصد بازیافت جرمی ردیاب - MR - نسبت مقدار ماده بازیافتی در محل نمونه گیری به مقدار کل ماده تزریق شده بوده و نشانگر درصد اعتماد به آزمایش ردیابی انجام گرفته است. این مقدار با توجه به حاصلضرب سطح زیر منحنی غلظت- زمان در دبی ثابت آزمایش ردیابی توسط رابطه زیر تعیین میگردد.
در این رابطه Q دبی چشمه و C غلظت اندازه گیری شده در فواصل زمانی معین بوده و مقدار MR میزان بازیافت ماده ردیاب میباشد.
-1-2 تفسیر داده های حاصل از آزمایشات ردیابی
نتایج حاصل از انجام یک آزمایش ردیابی، داده های غلظت- زمان مربوط به نمونه های برداشت شده از یک یا چند محل نمونه برداری میباشد. آنالیز داده ها توسط راه حلهای عددی و تحلیلی صورت میپذیرد و نتیجه آن تعیین پارامترهای انتقال آلاینده ها در محیط متخلخل میباشد، بگونه ای که کمترین انحراف فیمابین داده های مشاهداتی و محاسباتی وجود داشته باشد - روش کمترین مربعات - . انتخاب راه حل بهمراه نتایج مربوطه که منجر به تعیین پارامترهای پراکندگی محیط متخلخل میگردد، بعنوان تفسیر آزمایش ردیابی اطلاق میگردد. نرم افزار TRACI را میتوان جهت شبیه سازی تحلیلی انتقال ماده در سازندهای نرم و سخت بکاربرد:
· شبیه سازی تحلیلی انتقال ماده در سازندهای نرم آبرفتی در دونوع جریان یک بعدی و شعاعی
· شبیه سازی تحلیلی انتقال ماده در سازندهای سخت - محیطهای درزه دار غیر کارستیک و محیطهای کارستیک -
از این نرم افزار میتوان ضمن ترسیم منحنی غلظت - زمان، جهت محاسبه زمان ظهور ماده ردیاب، زمان عبور غلظت حداکثر ردیاب، سرعت حداکثر جریان ردیاب و همچنین تعیین سرعت میانگین استفاده نمود. جرم ردیاب بازیافتی نیز از مواردی است که با توجه به سطح زیر منحنی غلظت-زمان قابل محاسبه میباشد.
-2-2 معادله کلی انتقال ماده در جریان یک بعدی
معادله کلی انتقال ماده در آب با فرض اینکه محیط متخلخل همگن، همروند، اشباع و همچنین قانون دارسی نیز در آن صادق باشد، میتواند با توجه به اصل موازنه جرم در یک حجم معین از آب تعیینگردد. این معادله بر اساس پدیدههای اصلی که در انتقال ماده مؤثرند یعنی پراکندگی و جابجائی ماده بر اثر سرعت جریان بصورت زیر بیان میشود:
دراین رابطه C غلظت آلاینده رسوخ کننده به داخل سیال اصلی - - ML -3، DL ضریب پراکندگی طولی - 2 T -1 - L،x مسافت بین نقطه تزریق و نقطه اندازه گیری، u سرعت سیاله در جهت جریان - - LT -1 و t زمان از ابتدای تزریق - T - میباشد.
