در موضوع: مهندسی محیط زیست معدنی
مدل سازى انتشار آلودگیهاى نفتى در خاکهاى ماسه اى رس دار با استفاده از روش اجزاء محدود
خلاصه مطالب:
چکیده
مطالعات انجام شده نشان مى دهد که یکى از مسائل مهم در آلودگى های نفتى، ماندگاری این مواد در زمین مى باشد. لذا در برخى از موارد بعد از صرف هزینه های هنگفت جهت پاکسازی منطقه از مواد نفتى، بعد از گذشت چند سال دوباره این مواد اثرات منفى خود را در منطقه نشان داده اند که این اثرات عمدتا ناشى از آزاد شدن مواد به دام افتاده در داخل زمین مى باشد. در این تحقیق نیز سعى شده است تا این مسئله به صورت آزمایشگاهى و با استفاده از یک مدل فیزیکى مورد بررسى قرار گرفته و نتایج آن با نتایج حاصل از مدل ریاضى MOFAT مقایسه شود. نتایج ضمن اینکه به فهم بهتر حرکت آلودگى در محیط خاک با لنز رسى کمک نمود، میزان انطباق نسبتا" خوب مدل ریاضى با نتایج آزمایشگاهى نشانگر میزان دقت کار و کارایی نرم افزار به کار رفته مى باشد.
واژه هاى کلیدى: مدلسازى، آلودگى نفتى، اجزاء محدود، لنز رسى
پیش گفتار:
مقدمه
انتشار مواد شیمیایی در محیط اطراف، همواره مشکلات فراوانى را به همراه داشته است که یکى از مهمترین آنها در خصوص آلودگى های آلى، ماندگاری این مواد در محیط اطراف مى باشد که این تاثیر در مورد مواد نفتى بیشتر نمود پیدا مى کند. این ماندگاری مواد باعث ایجاد مشکلات آتى بسیاری شده است که در برخى موارد هزینه های صرف شده جهت پاکسازی منطقه را به هدر داده است. لذا در مورد برنا مه های پاکسازی مناطق آلوده شده مهمترین قدم توجه به چگونگى حرکت و تجمع این مواد در زیر سطح زمین مى باشد. مواد رسى به دلیل ویژگیهای ذاتى خود با جذب مواد نفتى وارد شده به زمین و به اصطلاح به دام انداختن آنها باعث نگهداشت این مواد مى شوند و زمانیکه بارش سنگینى در منطقه صورت گیرد و یا سطح آب زیرزمینى بالا آید، مواد نفتى از رس جدا شده و وارد چرخه آب زیرزمینى منطقه مى شوند و دوباره آلودگى اثرات خود را نشان مى دهد. هرچه تجمع مواد رسى بیشتر باشد تجمع مواد نفتى نیز بیشتر مى گردد که این تجمع در اطراف لنزهای رسى به او، خود مى رسد [4] لذا شناسایی لنزها و بررسى نحوه تجمع مواد نفتى، ضامن کارآمد بودن فعالیت های انجام شده جهت پاکسازی منطقه مى باشد. در این تحقیق سعى شده است این پدیده مورد بررسى قرار گیرد و در ضمن با استفاده از یک مدل عددی نسبت به شبیه سازی حرکت مواد نفتى در محیط غیرهمگن خاک اقدام گردد.
متن اصلی:
روشها و مواد
مدل فیزیکى
در مورد مدل فیزیکى بعد از بررسى کارهای مشابه انجام گرفته در این زمینه [1] و [2] اقدام به ساخت یک جعبه شیشه ای به ابعاد 9* 50* 180 سانتیمتر شد که در داخل یک چهارچوب فلزی قرار گرفته بود. در دو طرف جعبه محفظه ای به عرض 25 سانتیمتر برای ایجاد بار آبی و شیب هیدرولیکى مناسب در داخل خاک در نظر گرفته شد. برای جلوگیری از حرکت دانه های خاک به خار، از جعبه و ورود آب بداخل آن از صفحات ژئوتکستایل استفاده گردید. بدین ترتیب که روی دیواره های جانبى که دارای ابعاد 8/8* 50 سانتیمتر بودند تا ارتفاع 15 سانتیمتری سوراخ هایى به قطر 1 میلیمتر ایجاد گردید و سپس روی این سوراخ ها را با روکش هایی از ژئوتکستایل پوشانده شد. روی این دیواره های جانبى در ارتفاع های 10 سانتیمتر در سمت چپ و 65/8 سانتیمتر در سمت راست، سوراخهایی به قطر 1 سانتیمتر ایجاد گردید تا آب از داخل فضاهای در نظر گرفته شده سرریز شود و در نهایت در داخل جعبه شیب 1% ایجاد شود. شکل 1 مدل فیزیکى ساخته شده را نشان مى دهد.
فضای موجود در داخل محفظه شیشه ای از ماسه ای با اندازه تقریبى 25/0 میلیمتر پر گردید. برای به دست آوردن مقدار ماسه ای که بتوان این جعبه را در ابعاد 9*45*135 سانتیمتر پر کند نیاز به 89 کیلوگرم ماسه خشک بود که برای به دست آوردن این مقدار ماسه در حدود 980 کیلوگرم ماسه رودخانه ای شسته شده از الکهای مختلف عبور داده شد که در نهایت ماسه های رد شده از الک های با مش 50 (33/0 میلیمتر) و مانده روی الک مش 60 (25/0 میلیمتر) انتخاب گردید و مواد رد شده از مش 220 به عنوان مواد تشکیل دهنده لنزهای رسى در نظر گرفته شد. گوشه سمت چپ پایین جعبه مبداء اندازه گیری نقاط در نظر گرفته شد. در ارتفاع 14 سانتیمتری از کف جعبه و به ضخامت 2 سانتیمتر و طول 15 سانتیمتر لنز رسى اول قرار داده شد طوری که وسط لنز رسى در مختصات طول 5/57 و ارتفاع 15 سانتیمتری از نقطه مبداء قرار گرفته باشد. در ارتفاع 32 سانتیمتری، لنز رسى دوم با ضخامت 2 سانتیمتر و طول 15 سانتیمتر قرار داده شد بطوریکه وسط لنز رسى دوم در مختصات 5/72 سانتیمتری و ارتفاع 45 سانتیمتری قرار بگیرد. جعبه تا ارتفاع 45 سانتیمتری پر گردید. در شکل 2 یک تصویر شماتیک از جعبه ساخته شده به همراه محل لنزهای رسى و شیب هیدرولیکى ایجاد شده نشان داده شده است.
شکل 1- تصویر کلی جعبه مورد استفاده برای مدلسازی
مخزن بتدریج از کف اشباع گردیده و سپس سوراخ های زهکشى باز شده تا آب بتدریج تخلیه گردد. جعبه برای 48 ساعت بدین شکل رها شد تا سطح آب و رطوبت داخل خاک به حالت تعادل برسد و شیب هیدرولیکى نشان داده شده در شکل تشکیل شود. سطح اشباع در ارتفاع بالاتری نسبت به سطح آب طرفین قرار گرفته است که این پدیده ناشى از اثر مویینگى مى باشد.
پس از اینکه شرایط مورد نظر ایجاد شد، آلاینده وارد گردید. در این آزمایش از گازوئیل به عنوان ماده آلاینده بدلیل اینکه دارای میزان تبخیر پذیری پایینى مى باشد و هم میزان ماندگاری آن در محیط بالا است، استفاده گردید. مقدار 2 لیتر گازوئیل در کل آزمایش استفاده شد که برای رنگى کردن آن از 30 سانتیمتر مکعب رنگ زرد روغنى استفاده شد.
شکل 2- جعبه شیشه ای پرشده به همراه لنزهای رسی و شیب هیدرولیکی (ابعاد به سانتیمتر)
در مورد وارد کردن آلاینده از یک جعبه به ابعاد 5*5/7*10 سانتیمتر استفاده گردید تا از انتشار جانبى ماده جلوگیری شود. این جعبه در وسط محفظه شیشه ای قرار داده شد تا شرایط تقارن برقرار باشد. در مورد نحوه وارد کردن ماده نیز سعى گردید تا ارتفاع گازوییل در داخل محفظه ورودی در ارتفاع ثابتى نگه داشته شود. برای افزایش میزان دقت اقدام به رنگى گردن آب گردید تا مرز بین آب و گازوئیل آشکارتر باشد که برای این کار از ماده اسید فوشین استفاده شد که باعث گردید تا آب به رنگ بنفش در آید. گازوییل مورد استفاده(2 لیتر) در مدت زمان 20 دقیقه وارد محیط گردید و بعد از 20 دقیقه اولین مرز پیشروی گازوئیل در خاک رسم گردید. سپس در دقیقه 25 مرز دوم و به همین ترتیب در زمانهای 30، 45، 60، 70، 80 و 100 دقیقه مرزهای پیشروی آلاینده مشخص و بروی شیشه جلویی جعبه رسم شد. در دقیقه 100 آزمایش متوقف شد و بلافاصله برای جلوگیری از تبخیر نمونه اقدام به نمونه برداری از محلهای مشخص گردید. 10 نمونه مربوط به ماسه و 2 نمونه مربوط به 2 لنز رسى تهیه شد. بعد از برداشت نمونه زمانهای برداشت نمونه و وزن نمونه به همراه ظرف مربوطه تا دقت 01/0گرم یادداشت گردید که موقعیت محل های نمونه برداری در شکل 3 نشان داده شده است.
در طى انجام آزمایش عکس هایى از جعبه و نحوه انتشار آلاینده و منحنى های رسم شده برروی شیشیه جلویى و شیشه پشتى جعبه برداشت گردید که در آنها وضعیت تقریبا" مشابهى ایجاد شده بود که نشان دهنده این مطلب است که فرض دوبعدی بودن جریان در محفظه شیشه ای صادق بوده است. شکل 4 یک نمونه از تصاویر گرفته شده را به همراه خطوط انتشار آلاینده را تا دقیقه 60 نشان مى دهد. پس از برداشت نمونه ها و توزین آنها با دقت مورد نظر، برای مدت 24 ساعت در دمای 108 درجه سانتیگراد قرار داده شد تا گازوئیل موجود درنمونه به طور کامل تبخیر شود و مجددا نمونه ها به همراه ظرف های مربوطه وزن گردید تا میزان گازوییل موجود در نمونه ها تعیین شود.
شکل 3- محلهای نمونه برداری از محفظه
مدل ریاضی
جهت شبیه سازی نتایج بدست آمده از آزمایش، از نرم افزار MOFAT [5] استفاده گردید. این نرم افزار توسط سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا تهیه شده است. اساس کار این نرم افزار بر روش اجزاء محدود و حل معادله حرکت آب، آلاینده و هوا بصورت سه فاز جدا مى باشد. این معادلات عبارتند از:
فرمول1_2_3
که در این روابط بار هیدرولیکى فاز که بترتیب آب(w)، آلایند(w) و هوا (a) مى باشد، ضریب هدایت هیدرولیکى فاز ، ، درجه اشباغ فاز ، مقدار خروجی و یا ورودی فاز و x و z محورهای مختصات در جهت افقی و قایم می باشند.
محدوده ای از جعبه که حاوی ماسه بود، در المان بندی دخالت داده شد. برای این کار نیز گوشه سمت چپ پایین محفظه به عنوان نقطه مبنایی انتخاب شد. ابعادی که در المان بندی منظور شد برابر با 42*140 سانتیمتر بود. با توجه به محدودیت نرم افزار MOFAT که تنها با المان های مستطیلى کار مى کند، این نوع المان برای محاسبات انتخاب گردید. برای افزایش میزان دقت کار مناطق بحرانى (مرز بین ماسه و رس و محل وارد کردن ماده نفتى) با المان های ریزتری تقسیم بندی گردید که در نهایت برای المان بندی از 36 المان در راستای محور X و 35 المان دیگر در راستای محور Y استفاده شد
شکل 4: منحنى های رسم شده که نشاندهنده مرز نفوذ گازوییل در داخل ماسه مى باشد. اعداد بیرون منحنى های نشان دهنده زمان سپری شده از شروع آزمایش مى باشند.
در مورد داده های ورودی نیاز به تعیین برخى از ویژگیهای ماسه و لنزهای رسى نظیر نفوذپذیری و رطوبت پس ماند مى باشد. برای تعیین نفوذپذیری در مورد ماسه از روش بار ثابت استفاده شد که میزان نفوذپذیری برابر با 3-10*3/2 سانتیمتر در ثانیه به دست آمد. برای تعیین میزان نفوذپذیری لنز رسى نیز از روش بار افتان استفاده گردید که مقداری برابر با 7-10*7/5 سانتیمتر در ثانیه به دست آمد.
برای تعیین میزان رطوبت پس ماند و رسم منحنى رطوبتى در فشارهای مختلف از دستگاه Pressure Membrane استفاده شد. آزمایشات انجام شده شامل اندازه گیری میزان رطوبت باقیمانده در فشارهای مختلف مى باشد که در این آزمایش از فشارهای25/0 ،5/0 ، 1، 2، 3 و 5 بار استفاده گردید و نتایج حاصله به صورت جدول 1 مى باشد.
جدول 1: نتایج آزمایشات مربوط به تعیین منحنى مشخصه رطوبتى ماسه مورد استفاده
همچنین از نتایج این آزمایش، میزان اشباع شدگی غیرقابل کاهش آب (Srw) تعیین شده و در مورد ماسه این مقدار برابر 01/0 درصد بدست آمد.
برای محاسبه مقدار اشباع شدگی ماده نفتی در گره های محاسباتی از بار هیدرولیکی بدست آمده از روابط 4 و 5 استفاده شده است.
فرمول4_5
که در این روابط و به ترتیب درجه موثر اشباع آب و کل می باشند. با استفاده از این روابط می توان درجه اشباع شدگی آب (Sw) و آلاینده (Sn) را از روابط زیر بدست آورد
فرمول6_7
در این روابط ضرائب و n که مربوط به خصوصیات فیزیکى و منحنى رطوبتى خاک مى باشند، با استفاده از نتایج بدست آمده از آزمایش Pressure Membrane و نرم افزار RETC [3] بدست آمدند. مقدار m از رابطه m=1-1/n محاسبه مى شود.
با استفاده از این ضرایب و ضرایب دیگری که مربوط به ویژگیهای ماده نفتى مى باشد (ویسکوزیته و چگالى) ، نرم افزار MOFAT اجرا شده که در نهایت از بین داده های خروجى مقدار اشباع شدگى و بار هیدرولیکى مربوط به آب، آلاینده و هوا در گره ها در زمان های مختلف بدست مى آید.
پس از اجرای مدل مقادیر محاسبه شده در نقاط نمونه برداری به صورت جدول 2 مى باشد. شکل شماره 5 نحوه پخش گازوئیل را که از مدل عددی بدست آمده نشان مى دهد.
جدول 2- نتایج نهایی حاصل از مدل فیزیکی و مدل ریاضی در مورد میزان اشباع شدگی
شکل 5- منحنی های رسم شده میزان درجه اشباع تا دقیقه 100
نتیجه گیری:
با توجه به نتایج حاصله می توان چنین گفت که در مناطق آلوده شده ای که به صورت پراکنده دارای مواد رسی تجمع یافته می باشند حتی در صورت حذف مواد نفتی آلوده کننده این مواد به صورت به دام افتاده در اطراف این لنزهای رسی باقی می مانند که با بارش سنگین باران و یا بالا آمدن سطح آب زیرزمینی، این مواد وارد چرخه آب محیط می شوند و به روشهای مختلف انتقال یافته و باعث گسترش آلودگی در منطقه در دراز مدت می شوند. استفاده از مدل ریاضی نشان داد که شبیه سازی این پدیده با اندازه گیری خصوصیات خاک و ماده آلوده کننده امکان پذیر بوده و از دقت نسبتا مناسبی برخوردار است. با در دست داشتن مدل ریاضی امکان بررسی سناریوهای مختلف پاکسازی و تعیین منشاء آلودگی میسر خواهد شد.
منابع:
مراجع
[ 1 ] . Mohammadi, K., M.H. Mousavizadeh, and R. Kahawita, (2003). "An Experimental Investigation of Infiltrating Organic Spill in a Variably Saturated Soil", Prepared foe presentation at the SPE 13th Middle East oil show & conference in Bahrain 5-8 April.
[ 2 ] . Panday, S., Y.S. Wu, P.S. Huyakorn and E.P. Springer (1994). "A three-dimensional multiphase contamination in porous and fractured media, 2-Porous medium Simulation examples", Journal of Contaminant Hydrology, Vol. 16, 131-156.
[ 3 ] . Van Genuchten, M.Th., F.J. Leij and S.R. Tates (1991). "The RETC Code for Quantifying the Hydraulic Function of Saturated Soil", U.S. Salinity Laboratory, U.S. Department of Agriculture, Agricultural Research Service, Riverside, California 92501.
[ 4 ] . McBride, J.F. (1997). "Entrapment of Non-Aqueous-phase Liquids in NAPL-Water porous media: The Residual-Funicular NAPL Saturation Relation", Center for multiphase research news, Vol. 3, Fall/Winter.
[ 5 ] . Katyal A.K., Kaluarachchi J.J. and Parker J.C. (1991). "MOFAT: a two dimensional finite element program for multiphase flow and mult component transport, program documentation & user’s guide", Center for Environmental and Hazardous Material Studies, Virginia Polytechnic Institute & State University, Blacksburg, Virginia 24061-0404.