Környezeti kárelhárítás

1. Ács Tamás acs.tamas@vkkt.bme.hu Környezeti kárelhárítás Szennyezett terület lehatárolása Szennyezőanyagok terjedése felszín alatti vizekben

2. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Ha a felszín alatti vízről (ált. talajvíz) vagy a felszín alatti közegről (talaj) kiderült, hogy szennyezett, akkor a tényfeltárás keretében szükséges • a jelenleg (B) szennyezettségi határérték fölötti szennyezőanyag koncentrációval jellemezhető talaj és talajvíz térfogatának és horizontális kiterjedésének meghatározása, vagyis a szennyezett terület lehatárolása • a jövőben (B) szennyezettségi határérték fölötti szennyezőanyag koncentrációval jellemezhető talaj és talajvíz térfogatának és horizontális kiterjedésének meghatározása, vagyis a veszélyeztetett terület lehatárolása • Kérdés: • hogy határozzuk meg a jelenleg szennyezett területet? • hogyan használhatjuk ezt fel a veszélyeztetett terület meghatározására? • hogy jön be a képbe a szennyezőanyag-terjedés vizsgálata?

3. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Általában nem áll rendelkezésünkre a talajban/talajvízben található szennyezőanyag koncentráció eloszlás térképe, viszont rendelkezünk a tényfeltárás során vett talaj/talajvíz minták analitikai eredményeivel. • A szennyezett terület lehatárolása általában a következő lépésekből áll: • a lehatárolás külön történik a talajra és a talajvízre • a mérések közül az egymásnak ellentmondó eredmények kiszűrése • ha több időpontban (n) és/vagy több mélységben (m) volt mintavétel, akkor ezek eredményeinek rendszerezése, vagyis n∙m adatsor létrehozása • térbeli interpoláció alkalmazása az előkészített adatok alapján minden mintázott mélységre • (B) határértékhez tartozó izokoncentrációs vonalakon belüli területek számítása • megjelenítés minden mélységben külön-külön, kvázi 3D ábra készítése • ha több mélységben is volt mérés, akkor a lehatárolt területek burkológörbéje adja a szennyezett területet

4. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Térbeli interpolációs módszerek: • sok módszer kidolgoztak a különböző tudományok igényeinek és a vizsgált változó jellemzőinek megfelelően • többféleképpen is csoportosíthatók: • globális: • A rendelkezésre álló összes adatot felhasználja, így nincs hirtelen váltás a létrehozott felszínben. • egzakt (szabatos): • A mérési pontokon a mért értékeket adja eredményül. • determinisztikus: • A vizsgált változó viselkedése jól ismert, determinisztikus függvénnyel megadható. Nem adja meg a becslés hibáját. • folyamatos: • Egy pontnak bármilyen irányból közelítve is ugyanazt az értéket adja (nem lépcsőzetes az eredmény). • lokális: • Adott számú (vagy adott távolságon belül eső) adatokat használja, így leköveti a lokális változékonyságot. • nem egzakt (közelítő): • A mérési pontokon nem feltétlenül a mért értékeket adja eredményül. • sztochasztikus: • Statisztikai függvényeket is használ a térbeli változékonyság leírására. A keresett értéken kívül a becslés hibáját is megadja. • szakadásos: • Lépcsőzetes eredmény (nem folytonos), szakadások vannak a felületben.

5. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • A módszerek ismertetése előtt egy fontos eleme sok módszernek: Thiessen poligon • def.: Egy adott ponthoz tartozó Thiessen poligon azon pontok mértani helyét jelenti, melyek a kérdéses ponthoz közelebb esnek, mint bármelyik másik mintavételi ponthoz. • alapja a Delauney háromszögek meghatározása, ezek oldalainak felező merőlegesei adják a Thiessen poligonok éleit • tulajdonképpen a terület ”igazságos” felosztását jelenti • széles körben alkalmazott (meteorológia, természetvédelem, matematika…) • ránézésre egyszerű a meghatározása, de próbáljuk csak ki magunkat pl. 20 mintavételi pont esetén Delauney háromszögek mintavételi helyek Thiessen poligonok

6. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Nearest neighbor (legközelebbi szomszéd) • determinisztikus, lokális, egzakt, szakadásos • minden pont a legközelebbi mintavételi pontbeli értéket veszi fel, vagyis a mintavételi pontok köré rajzolt Thiessen poligonokon belül minden pont az adott mintavételi pont értékét veszi fel • geológiai formációk, talaj jellemzők, stb. interpolására alkalmas lehet • szennyezőanyag koncentráció eloszlás térkép készítésére alkalmatlan a „legkülső pontokon kívül a Thiessen poligonoknak nincs külső határoló éle előre meg kell határozni az interpoláció (extrapoláció) határait interpoláció

7. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Natural neighbor (természetes szomszéd) • determinisztikus, lokális, egzakt, folyamatos • az előzőhöz hasonlóan Thiessen poligonokat használt, de annál szofisztikáltabb • a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő • Legyen ismert a koncentráció Qi (i=1…n) pontokban: zi • Keressük P pont értékét: zp • Lépések: Thiessen poligon az keresett értékű pont és a mintavételi helyek között az új Thiessen poligon területe: AT új és eredeti Thiessen poligonon metszetének területei: Ai súlyok: keresett érték számítása: P

8. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • IDW (inverse distance weighting) • determinisztikus, globális/lokális, egzakt, folyamatos • a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő • globális/lokális: • vagy minden mintavételi pont értékét felhasználjuk • vagy definiáljuk a figyelembe veendő mintavételi pontok számát, ekkor a legközelebbi pontok közül választja ki a megfelelő számút • vagy definiálunk egy területet (általában kört), amin belül eső mintavételi pontokat használja fel a P és Qi pontok közötti távolság számítása: súlyok: keresett érték számítása: P hi,p paraméter, ami azt határozza meg, hogy mekkora súlya legyen a távolabbi pontoknak

9. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • IDW (inversedistanceweighting) • példa: • adott 6 mintavételi pont (Qi) koordinátái (x,y) és a mért koncentrációk (zi) • keressük P(4.0, 4.0) pontban a koncentráció értékét (zp) • a P és Qi pontok közötti távolságok számítása: • súlyok számítása: legyen k paraméter értéke • először k=1, majd k=100: • keresett érték számítása P-ben: kis k közel egyenlő súlyok nagy k közelebbi pont számít átlag=3.50

10. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Kriging (krigelés) • sztochasztikus, globális/lokális, egzakt, folyamatos • a ”legjobb” becslést adja • számítható a becslés statisztikai hibája is • sok változatát dolgozták ki: blokk-, co-, univerzális krigelés, stb. • globális/lokális: ua., mint az IDW-nél • a keresett értéket a mintavételi pontok értékeinek súlyozásával állítja elő • a nehézséget a súlyok meghatározása jelenti, ehhez használ sztochasztikus megközelítést: • feltételezzük, hogy a mintavételi pontokon mért értékek különbsége kapcsolatba hozható a pontok közötti távolsággal, vagyis minél közelebb van két pont egymáshoz, annál inkább ”hatással vannak egymásra” és minél nagyobb a távolságuk, annál kevésbé érvényesül az egymásra hatás • a távolság és a változó változékonysága közötti empirikus (tapasztalt) kapcsolatot ún. fél-varianciák segítségével, fél-variogramokon vizsgáljuk • az empirikus kapcsolatot matematikai összefüggéssel próbáljuk a lehető legjobban közelíteni • a már matematikailag megfogott távolság-változékonyság kapcsolat alapján határozzuk meg, hogy a keresett értéknél az egyes mintavételi pontok értékei milyen súllyal legyenek figyelembe véve

11. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Kriging (krigelés) • Lépések: • távolságok számítása a mintavételi pontok (Qi) között, valamint P és Qipontok között: • fél-varianciák számítása Qi értékei (zi) alapján: • empirikus fél-variogram • ábrázolása:

12. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Kriging (krigelés) • Lépések: • elméleti variogram függvény fektetése az empirikus variogramra • Ezek ált. 3 paraméteres függvények (R, S, N), az elméleti fv-ek illeszkedését ennek a 3 paraméternek a változtatásával lehet optimalizálni. telítési érték néhány elméleti variogram függvény partial sill (PS) sill (S) egy ponton több eltérő eredményű mérés v. hibás mérések nugget (N) range (R) ezen a távolságon belül van kapcsolat a pontok között

13. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása nem zh/vizsga anyag Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Kriging (krigelés) • Lépések: • egyenletrendszer felírása • és • ugyanez mátrix formában Lagrange paraméter, a becslés hibájának minimalizálásához elméleti fv. alapján számított fél-variancia Qi-k távolsága alapján keresett súlyok elméleti fv. alapján számított fél-variancia P és Qi távolsága alapján

14. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása nem zh/vizsga anyag Néhány térbeli interpolációs módszer, jellemzőik és működésük: • Kriging (krigelés) • Lépések: • egyenletrendszer megoldása

15. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása Példa: nátrium koncentráció a talajvízben - (B)=200 mg/l : IDW k=2 Kriging: lineáris Kriging: gömb Kriging: exponenciális IDW k=10 Natural neighbor Kriging: logaritmikus mintavételi helyek Nearest neighbor még mindig majdnem ua., pedig az elméleti variogram egészen különböző a nagy k érték miatt a legközelebbi mérések értékei dominálnak, így hasonló a Nearest neighbor-hoz egészen más, elnyújtott hatása van, pedig a variogram illeszkedése jó volt sokkal simább felület, de a mintavételi pontok által bezárt területen kívül nem működik szakadásos felület, a Thiessen poligonok határán éles váltás jóval simább felület, a koncentráció csúcsokat sikerült ”jól megfogni” a legsimább felület az összes közül, olyan ”hihető” nincs jelentős különbség az előzőhöz képest az eredmény nem csak látványra eltérő, de a szennyezett terület kiterjedése is egészen más nagyon nem mindegy, hogy milyen módszert használunk!

16. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Hogyan ellenőrizhetjük az interpoláció jóságát? Kereszt validációval: • az interpolációt változatlan paraméterekkel többször hajtjuk végre • minden körben egy vagy több (mintavételi pontok számától függően) mérést kihagyunk a számításból • a kihagyott pontok mért és az interpolációval kapott értékét összevetjük • az így kapott értékpárokat diagramon ábrázoljuk • Hibák: • szisztematikus felülbecslés • szisztematikus alulbecslés • nem megfelelő interpolációs módszer Cél a négyzetes hibaösszeg minimalizálása:

17. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása száma szennyezőanyag jellemzői mérések oldott vs. partikulált terjedés sebessége adszorbeálódik v. nem módszer választás paraméterezés megbízhatóság elméleti tudás rendelkezésre álló szoftver

18. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Szennyezett térfogat meghatározása: • feltétel, hogy ismerjük a szennyezőanyag koncentráció eloszlását, és a szennyezett terület le legyen határolva • ha több mélységben is volt mérés, akkor el kell döntenünk, hogy az adott mélységben interpolált koncentráció eloszlást milyen mélységközre tekintjük érvényesnek kék érvényes egy lehetséges felosztás talajban feltételezve, hogy a koncentráció változás mértéke konstans dh/2 dh sárga érvényes zöld érvényes egy lehetséges felosztás talajvízben feltételezve, hogy a víznél nagyobb fajsúlyú a szennyező barna érvényes piros érvényes vízrekesztő

19. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • Szennyezett térfogat meghatározása: • talajban: • talajvízben: i-edik mélységhez tartozó (B) határérték felett szennyezett terület [L2] i-edik mélységhez tartozó mélységköz [L] i-edik mélységhez tartozó mélységköz átlagos porozitása [-]

20. Szennyezett/veszélyeztetett terület lehatárolása • A veszélyeztetett terület meghatározásához ismernünk kell: • a szennyezőanyag terjedést befolyásoló jellemzőit (milyen folyamatokkal kell számolni?) • a felszín alatti áramlási rendszert (áramlás iránya és sebessége) • a forrás továbbra is szennyez v. ”csak” a talajban/talajvízben aktuálisan jelen levő szennyeződés terjedésével kell számolni • szennyezőanyag aktuális koncentráció eloszlását a közegben – ez a jövőre vonatkozó számítások kezdeti feltétele • analitikus számítások v. transzport modellezés

21. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben • Amikor talaj- és/vagy talajvíz kármentesítésének folyamatáról beszélünk, akkor a szennyezőanyagok terjedési jellemzőinek ismerete fontos: • mert segítségével megbecsülhető, hogy a szennyezés megkezdése óta milyen távolra és milyen mélyre juthatott el a szennyezőanyag • ezzel segít a mintavételi helyek pozícionálásában ahhoz, hogy a szennyezett terület/térfogat lehatárolható legyen; • mert megbecsülhető, hogy a közeli és távoli jövőben milyen távolra és milyen mélyre juthat el a szennyezőanyag • ami alapján a veszélyeztetett terület lehatárolható és • ami alapján eldönthető, hogy szükség van-e azonnali beavatkozásra és ha igen, akkor milyen típusúra.

22. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben • Eredmények, amit a szennyezőanyag-terjedés vizsgálatokkal kapunk: • szennyezők térbeli és időbeli mozgásának előrejelzése • elérési idők (mikor fogja elérni a hatásviselőket a szennyezőanyag) • jellemző koncentrációk (mekkora koncentrációban lesz jelen a szennyezőanyag adott területhasználat (v. hatásviselő) területén 10 év 10 év 5 év 30 év 50 év

23. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben • Azt, hogy egy szennyezőanyag forrásból kibocsátott szennyezőanyag okoz-e szennyezést a talajban/talajvízben, és hogy mekkora területet szennyez el, sok tényező befolyásolja: • kibocsátás mértéke, időtartama • geológiai viszonyok • közeg jellemzői (talaj textúrája, vízvezető képessége, talaj/talajvíz kémhatása, mikroba közössége, stb.) • növényzet • szennyezőanyag jellemzői (fajsúlya, oldhatósága, kémiai sajátosságai, biológiai bonthatósága, stb.) • hidrometeorológiai jellemzők (csapadék, hőmérséklet, párolgás, stb.) • áramlási viszonyok (feláramlási-, átmeneti-, leáramlási zóna) Ez elég egyértelmű, minél nagyobb mennyiségben bocsátunk ki szennyezőanyagot, annál valószínűbb, hogy a koncentráció eléri a (B) szennyezettségi határértéket, és minél tovább szennyezünk, annál magasabb koncentrációk kialakulása várható. Egy nyílt karsztba a nyelőkön keresztül szint azonnal, késleltetés nélkül jut be a szennyezőanyag a beszivárgó vízzel, ezért a karsztos kőzetek sérülékenyek. Porózus kőzetek esetén a szivárgás jóval lassabb, de itt is meghatározó, hogy milyen talajfizikai féleségről van szó. Kavicsban az áramlás relatíve gyors, agyagban nagyon lassú. A durvább szemcséjű talajban a szivárgás gyorsabb, ezért a szennyező hamarabb éri el a talajvizet és nagyobb területekre jut el. A talaj kémhatásától függően egyes szennyezőanyagok mobilizálódnak vagy fordítva, immobilizálódnak. Szerves anyagok biodegradációja csak megfelelő fajösszetételű és mennyiségű baktérium/gomba jelenléte mellett lehetséges. Stb. A növények képesek az oldott állapotban levő szennyezők felvételére. Fajtól függően érzékenyek v. kevésbé érzékenyek a szennyezőre. A növények gyökérzetén élő mikroorganizmusok is hatékonyan tudnak bizonyos típusú szennyezőanyagokat eltávolítani. Nagy vízigényű fajok sokat párologtatnak, vagyis leszívják a talajvizet, amivel helyben tudják tartani a szennyezőket. A víznél nagyobb fajsúlyú szennyezők a talajvíz tükröt elérve gravitációsan lefelé mozognak az első vízrekesztő rétegig. Ha oldódnak vízben, akkor a talajvíz folyamatosan moshatja el a gócot. A víznél kisebb fajsúlyú anyagok a talajvíz felszínén úsznak és együtt mozognak a talajvízzel. Az olajszármazékok a talajban olajtest formájában, külön fázisként, gravitációsan mozognak, míg el nem érik a talajvizet. Fizikai/kémiai jellemzőiktől függően a szennyezők megkötődhetnek a talajszemcséken, ezzel lassítva terjedésüket. A lebomló szennyezők mennyisége (ha csak nincs utánpótlódás) idővel csökken, ellentétben az inert anyagokkal. Egyes anyagok átalakulnak, hogy energetikailag stabilabb formába kerüljenek. Ez kedvezőtlen is lehet, ha az új forma ”veszélyesebb” a hatásviselőkre nézve. Csapadékos időszakban a felszíni beszivárgás nő, ezzel együtt emelkedik a telítetlen zóna nedvességtartalma, ami a szennyezők gyorsabb vertikális mozgását segíti (hamarabb eléri a talajvizet). Száraz időszakban ennek a fordítottja játszódik le, a szennyezés a növények gyökérzónájában koncentrálódik, és ha a növény fel tudja venni a szennyezőanyagot, akkor fel is veszi. Feláramlási területeken a mélyebb rétegekben levő víz nyomása nagyobb, mint a felső rétegekben levő vízé, így az áramlás iránya lentről felfelé mutat. Itt ált. párolgási többlet van. Ez szerencsés, a szennyező nem, vagy csak nagyon nehezen jut a mélyebb rétegekbe (rétegvíz szennyezés). Leáramlási területeken az egyedüli védőbástya a vízrekesztő rétegek beékelődése lehet. Beszivárgási többlet jellemző. Itt számolni kell a mobilis szennyezők mélybe jutásával.

24. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben • Felszín alatti vizekben a szennyező anyagok transzportja a folyamat jellege szerint a következő folyamatokból áll: • advekció (konvekció) – a szennyező a közeggel (víz) együtt áramlik vagy külön fázisként viselkedve terjed • diffúzió – a koncentrációkülönbség hatására létrejövő transzport • diszperzió – a sebességvektor irányváltozásai (ütközések) hatására létrejövő transzport • szorpció – szennyezőanyag megkötődése szilárd vázon (talajszemcse) és az onnan való leválása • bomlás/átalakulás – kémiai és biológiai folyamatok, melyeknek eredményeként a szennyezőanyag mennyisége csökken és/vagy a szennyező minőségileg átalakul

25. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 1. advektív (konvektív) transzport • szennyezőanyag a közeggel (víz) együtt mozog • ha olajszármazékról beszélünk, akkor az külön fázisként, a víztől függetlenül is mozoghat • gyakran keveredik az advekció és konvekció fogalma: • konvekció:hőtanból átvett fogalom, hőmérsékletkülönbség hatására létrejövő áramlással mozgó anyag transzportja • advekció: potenciálos erőtér (itt nyomáskülönbség) és nem hőmérséklet különbség hatására létrejövő áramlással mozgó szennyezőanyag transzportja kérdés: milyen sebességgel áramlik a víz? Darcy: de ez teljes keresztmetszetre vonatkozik, pedig a víz csak az egymással összefüggő (átjárható) pórusokon keresztül áramlik 25

26. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport • molekuláris diffúzióról beszélünk • koncentráció különbség hatására a szennyezőanyag szétterjed • mindig a nagyobb koncentrációjú hely felől a kisebb koncentrációjú hely felé • egyensúlyra törekszik a rendszer • vízmozgást indukálhat (pl. só koncentráció különbség miatti tengeráralmások) 26

27. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 2. diffúziós transzport • Fick I. törvénye írja le a diffúziós terjedést: • a diffúziós tömegáram így írható fel: • Ddiff [L2/T]: • diffúziós tényező • anyagfüggő • a porózus közegre érvényes és mindig kisebb, mint a vizes közegben mérhető diffúziós tényező (D0) • általában D0 függvényében fejezik ki alakra hasonlít a Darcy-egyenletre: azt fajlagos hozamra fejeztük ki, ezt pedig tömegáramra, ott K tényező volt anyag és közegfüggő, itt ugyanez a Ddiff, ott a hidraulikus gradiens hajtotta meg a folyamatot, itt pedig a koncentráció gradiens 27

28. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport • a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés • léptéktől függően: • mikroszkopikus (hidrodinamikai) diszperzió: • a szennyezőanyag a talaj szemcséinek ütközik és így mozgásának iránya megváltozik • egyenlőtlen sebességeloszlás a pórusokban átlagos sebesség iránya sebesség eloszlás a pórusban 28

29. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport • a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés • léptéktől függően: • makroszkopikus diszperzió: • a szivárgási tényező nem állandó a tengelyek mentén Kx Ct=0 Ct>0 x Ct=0 Ct>0 z áramlás iránya x a szennyezőanyag mennyisége nem változik V=konstans 29

30. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport • a sebességvektor irányváltozásának hatására létrejövő szennyezőanyag terjedés • léptéktől függően: • makroszkopikus diszperzió: • a szivárgási tényező nem állandó a tengelyek mentén • a szennyezőanyag front lencsének ütközik , így mozgásának iránya megváltozik homok agyag lencse 30

31. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport • a szóródás mértéke eltérő a különböző irányokban: • longitudinális diszperzió: az átlagos sebesség vektorral párhozamos szóródás • transzverzális diszperzió: a sebesség vektorra merőleges szóródás • horizontális transzverzális • vertikális transzverzális • a térfogatáram arányos a diszperziós tényezővel, ami arányos • az átlagos szivárgási sebességgel • diszperzivitással • x tengellyel párhuzamos átlagos áramlási irányt feltételezve a diszperziós tényezők: • matematikai leírása megegyezik a diffúzió leírásával porozitás horizontális transzverzális diszperzivitás longitudinálisdiszperzivitás vertikális transzverzális diszperzivitás 31

32. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 3. diszperziós transzport • diszperzió mértékét befolyásoló talaj jellemzők nagy lassú kicsi gyors nagy lassú kicsi gyors nagy lassú kicsi gyors pórusméret szennyezőanyag mozgása tekervényesség szennyezőanyag mozgása súrlódás szennyezőanyag mozgása 32

33. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok • a pórusfolyadékban mérhető koncentráció és a talajszemcséken mérhető koncentráció különbségéből adódó, a rendszer egyensúlyára törekvő transzport • adszorpció: pórusfolyadékból kilépés és megkötődés a talajszemcséken (adszorbens) • deszorpció: leválás a talajszemcsékről és visszalépés a pórusfolyadékba • a folyamat reverzibilis, vagyis nem-kovalens kötés valósul meg a talajszemcse és a szennyező között • tulajdonképpen a szennyezőanyag terjedésének késleltetését jelenti az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció kicsi, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék adszorpciós kapacitása megtelt az érkező vízben a szennyezőanyag koncentráció magas, a talajszemcsék ”üresek” egyensúly alakul ki, a szennyezőanyag továbbhalad, nem kötődik meg és a szilárd vázról sem válik le a szennyezőanyag megkötődik a szilárd vázon a szennyezőanyag leválik a talajról és oldatba lép 33

34. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 4. szorpciós folyamatok Csz: adszorbeált anyag koncentrációja [M/Mszárazanyag] C: oldott anyag koncentrációja [M/L3] • a folyamatot izotermákkal írják le • általában telítési görbe jellegű az izoterma • gyakran használt izotermák: • Freundlich (exponcenciális): • Henry (lineáris): • Langmuir (logaritmikus): , ahol Cmax az adszorbeált szennyező telítési koncentrációja [M/Mszárazanyag] Freundlich Langmuir Lineáris: Henry Kd: megoszlási hányados 34

35. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás • bomlás: az anyag degradációja, mennyiségének csökkenése • átalakulás: kémiai, biokémiai folyamat, melynek hatására az anyagból minőségileg eltérő anyag keletkezik • a pórusfolyadékban és a szilárd vázon megkötött anyagok bomlásának mértéke eltérő • a bomlási folyamat sebességét befolyásoló tényezők: • a talaj pH-ja • a talaj nedvességtartalma (telített közegben ez egyenlő a porozitással) • hőmérséklet • szennyezőanyag fizikai-kémiai jellemzői • biodegradáció esetén fontos • a talaj szervesanyag tartalma • a talaj baktérium (és gomba) közösségének jellemzői • oxigénellátottság 35

36. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben 5. bomlás/átalakulás • bomlási folyamatok: • elsőrendű (koncentrációtól függő): radioaktív bomlás, kémiai bomlások közül azok, amelyeknél a bomlás elsőrendű kinetikával leírható • nulladrendű (koncentrációtól független): forrás-nyelő, ide soroljuk az átalakulást is • Monod kinetika: a biodegradáció leírása exponenciális kifejezés koncentráció t=0 időpontban lebomlási tényező lineáris kifejezés 36

37. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag • A transzport egyenletet a tömegmegmaradás elvéből kiindulva vezetjük le. • ragadjunk ki egy dx, dy, dz élhosszúságú elemi hasábot a telített zónából, melynek térfogata dxdydz=V • legyen a szennyező tömegárama , ahol v a sebesség [L/T], C pedig a szennyező koncentrációja [M/L3] Fki,z z Fbe,y a hasábban a szennyezőanyag tömegének megváltozása egységnyi idő alatt: Fbe,x Fki,x V Fki,y x Fbe,z A=dxdy=dxdz=dydz, vagyis a sebességvektorokra merőleges felület y

38. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag Osszuk le az egyenlet mindkét oldalát V=dxdydz-vel! A koncentráció a tömeg és a térfogat hányadosa: • a jobb oldalon álló kifejezés nem más, mint a tömegáram megváltozása a tér három iránya mentén • mivel F=v∙C és v vektormennyiség (hiszen a sebességnek van iránya és nagysága), a jobb oldali kifejezés az F tömegáram vektor divergenciája Innentől kezdve ebből indulunk ki!

39. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 1. advektív (konvektív) transzport ugyanazt jelenti (v=q), qx=vx, qy=vy, qz=vz Mivel és veff-t beírva vx, vy és vz helyére, és mivel neff nem függ a vizsgált iránytól, így kiemelhető: ugyanaz, mint advektív transzportot leíró egyenlet 39

40. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 2. diffúziós transzport gradiens: egy skalár (C is ilyen) mennyiség megváltozása a tér három iránya mentén Tehát , vagyis Emlékezzünk, a Darcy-egyenletbena hidraulikus gradiens hajtotta meg az áramlást. 3D-ben így írható fel: Tehát , és diffúziós transzportot leíró egyenlet 40

41. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 3. diszperziós transzport A diszperziós transzport matematikai leírása megegyezik a diffúziós transzportnál látottakkal, jóllehet a fizikai tartalom merőben eltérő. Tehát , vagyis Tehát , és diszperziós transzportot leíró egyenlet 41

42. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 4. szorpciós folyamatok A pórusfolyadékban oldott és a szilárd fázison megkötött szennyezőanyagok egyensúlyát izotermákkal írjuk le. A koncentráció időbeli változását pedig így írhatjuk fel: Lineáris (Henry) izotermát feltételezve: porozitás [-] talaj testsűrűsége [M/L3] szorpciós transzportot leíró egyenlet 42

43. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben nem zh/vizsga anyag 5. bomlás Az elsőrendű lebomlás folyamatát leíró egyenlet: elsőrendű, szeparábilis differenciál egyenlet, vagyis analitikusan megoldható kezdeti feltétel: ha ismert a felezési idő (radioaktív bomlás): 43

44. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Transzport egyenlet: oldott és adszorbeált anyag koncentrációjának megváltozása = advekció + diffúzió + diszperzió + szorpció + lebomlás oldott koncentráció megváltozása adszorbeált koncentráció megváltozása lebomlás és átalakulás advekció diffúzió diszperzió emeljük ki vonjuk össze: D retardáció: R – a szennyező terjedését késlelteti 44

45. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben • Transzport egyenlet: • elrettentő kinézete és bonyolultsága ellenére jó néhány egyszerűsítést tartalmaz, pl.: • a szorpciós folyamatok egyensúlyát lineáris (Henry) izotermával adtuk meg, ami a legtöbb szennyezőanyag esetén nem érvényes • feltételeztük, hogy a bomlási folyamatok elsőrendű (exponenciális) és/vagy nulladrendű (lineáris) egyenletekkel leírható, pedig a szennyezőanyagok jó részénél a bomlási folyamatokat nem lehet ilyen egyszerűen leírni • az egyenlet a gyakorlati esetben sokkal barátságosabb formára egyszerűsödik, mert a legtöbb szennyezőanyagnál nincs értelme az összes, egyenletben szereplő folyamatot figyelembe venni • a szilárd halmazállapotú szennyezők nem fognak advektív, diffúziós vagy diszperziós transzporttal terjedni • sok szennyező nem vagy csak nagyon hosszú idő alatt bomlik le • vannak olyan anyagok, amik nem fognak adszorbeálódni a talajszemcséken • stb. 45

46. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Transzport folyamatok hatása egy vonal mentén ábrázolva C x=0-ban és t=0-ban a koncentráció x advekció + diffúzió + diszperzió + szorpció retardáció + bomlás/átalakulás 46

47. Szennyezőanyag-terjedés felszín alatti vizekben Áttörési görbe: megmutatja, hogy egy pontban hogyan változik a szennyezőanyag koncentráció időben a különböző transzport folyamatok figyelembe vételével + elsőrendű lebomlás + diffúzió és diszperzió + adszorpció advekció ± átalakulás 47