Pronos tvari (dominantni procesi)

Παρουσίαση με θέμα: "Pronos tvari (dominantni procesi)"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Pronos tvari (dominantni procesi)
Konvekcija Procesi miješanja - molekularna difuzija - turbulentna difuzija - disperzija Procesi razgradnje - fizikalni procesi (adsorpcija,..) - kemijske reakcije - biološki procesi Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

2 Vremenska i prostorna promjena polja brzina (Turbulentna difuzija v. s
Vremenska i prostorna promjena polja brzina (Turbulentna difuzija v.s. disperzija) Brzina (cm/s) Trajektorija Srednja brzina strujanja Vrijeme t (s) Heterogenost polja brzina kao uzrok miješanju (disperzija) (u ovom slučaju u laminarnom toku) Promjena brzine zbog turbulencije (turbulentna difuzija)

3 Čindbenici pronosa Reynoldsov zapis Konvekcija Molekularna difuzija
Vrijeme Turbulentna difuzija Prostor Disperzija Ukupan pronos

4 Dimenzionalnost problema
Podzemne vode, atmosfera, 2D Podzemne vode, Estuari (riječna ušća) 1D Rijeke, Estuari 0D Jezera (uprosječena), Regionalno bilanciranje ( u grubo)

5 Pronos tvari - nošenih tokom podzemne vode - nošenih morskim strujama - nošenih zračnim strujama ?? tvar = zagađivalo ???? onečišćivač? Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

6 Pronos tvari nošenih tokom podzemnih voda
Virovitica Vodonosnik je za večinu tvari prirodan filter Male brzine – dugo vrijeme napredovanja Razvoj industrije i stabilnih spojeva Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

7 Primjer napredovanja oblaka tvari
izražena vertikalna komponenta pronosa Promjena smjera toka i ispiranje iz nesaturirane zone Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

8 Ciljevi modeliranja pronosa tvari
Analiza iscrtavanje izolinija jednakih koncentracija sa ciljem sagledavanja stanja (interpretacija izmjerenih vrijednosti) otkrivanje uzroka zagađenju bilanciranje brzine raspadanja štetnih tvari planiranje mreže opažačkih bušotina Prognoza - prognoza budućeg stanja tj. procjena napredovanja oblaka zagađivala po prostoru i vremenu - planiranje i proračun uspješnosti pojedine hidrauličke varijante sanacije (mogućnost jeftinog i brzog sagledavanja uspješnosti predviđene sanacije) - izrada zaštitnih zona Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

9 Podjela modela Obzirom na poroznu sredinu
  - stijene sa međuzrnskom poroznosti i stijene sa pukotinskom poroznošću. Obzirom na stupanj zasićenosti porozne sredine   - pronos u saturiranoj i pronos u nesaturiranoj sredini Obzirom na topivost - tvari koje se otapaju i tvari koje se ne otapaju u vodi Obzirom na hidrodinamičku aktivnost - hidrodinamički aktivne i neaktivne koncentracije Obzirom na razgradivost - idealni traser i tvari koje podliježu reakcijama Obzirom na gustoću - “teške” (DNAPL) i “lake” (LNAPL) frakcije organskih zagađivala Dimenzionalnost strujanja - jedno, dvo i trodimenzionalni modeli Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

10 Mehanizmi pronosa Konvekcija, difuzija i disperzija
Konvekcija - na osnovu Darcy-eve brzine Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

11 Difuzija I Fickov zakon pri čemu je:
qm protok tvari uzrokovan molekularnom difuzijom [M/L2T] Dm koeficijent molekularne difuzije promatrane tvari u otapalu [L2/T] Hamiltonov operator [1/L] c koncentracija promatrane tvari [M/L3] Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

12 Efektivni koeficijent difuzije
Mi ćemo u nastavku pisati Dm a podrazumijevat ćemo Dme Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

13 Drugi Fickov zakon Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

14 Disperzija pri čemu je: vektor brzine u porama
Dm koeficijent molekularne difuzije Hamiltonov operator Nabla Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

15 Po analigiji sa difuzijom se može pisati
Pojedine veličine se mogu prikazati preko njihovim prosječnih vrijednosti i odstupanja od srednje vrijednosti (Reynoldsovo osrednjavanje) uvrštavanjem ovakvog zapisa u jednadžbu pronosa dobiva se jednadžba: pri čemu je: ne efektivna poroznost Po analigiji sa difuzijom se može pisati pri čemu je D tenzor disperzije Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

16 Uzroci neravnomjernosti polja brzina
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

17 Kretanje čestica kroz poroznu sredinu
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

18 Jednadžba pronosa vektor normale na plohu S (vanjska normala)
jedinična produkcija zagađivala (nastajanje zagađivala u volumen se smatra pozitivnim) Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

19 Na osnovu Gaussovog teorema se površinski integral može pretvoriti u volumski:
Ako se usvoji da se disperzija može opisati po analogiji sa Fickovim zakonom, pronos tvari se može pisati u obliku: Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

20 Kontrolni volumen za 2D (ravninski) model
( Usvaja se da je raspored koncentracija konstantan po vertikali) Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

21 q količina vode koja se infiltrira u vertikalnom smjeru
pri čemu je: q količina vode koja se infiltrira u vertikalnom smjeru cin koncentracija zagađivala u vodi koja se infiltrira Može se usvojiti da je debljina vodonosnog sloja konstantna i da iznosi m pa jednadžba poprima oblik: Plošni integrali se mogu pretvoriti u volumne integrale korištenjem Gaussovog teorema. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

22 Bear-ova jednadžba Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

23 Tenzor disperzije U slučaju da se vektor brzine podudara sa jednom od koordinatnih osi, tenzor disperzije ima diagonalni oblik: Koeficijent longitudinalne disperzije DL = αL u Koeficijent transverzalne disperzije DT = αT u pri čemu je: αL koeficijent longitudinalne disperzivnosti αT koeficijent transverzalne disperzivnosti Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

24 Ovisnost koeficijenta disperzivnosti o veličini prostora u kojem se odvija pronos
Koeficijent transverzalne disperzivnosti (αT / αL = 0,1) Koeficijent molekularne difuzije Dm = 10-9 m2/s (pri temperaturi 10o C) Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

25 Pecletov broj Odnos između pronosa uzrokovanog konvekcijom
i pronosa uzrokovanog disperzijom: pri čemu je L tipična duljina u kojoj se odvija pronos Veliki Pecletov broj znači da je dominantna konvekcija a za Pecletove brojeve manje od 1 je dominantna disperzija Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

26 Retardacija Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

27 Retardacija Koeficijent retardacije R brzina napredovanja = u/R
Pronos tvari Koeficijent retardacije R brzina napredovanja = u/R Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

28 Retardacija Koeficijent retardacije R je mjera kašnjenja
neke tvari u odnosu na konvektivni tok vode brzina napredovanja tvari je = u/R Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

29 Reakcije se mogu uvrstiti u Bear-ovu jednadžbu uz usvajanje pretpostavke
da je nestajanje tvari iz otopine proporcionalno sa koncentracijom Uobičajeno se disperzija u dvodimenzionalnom strujanju u kojem se x-os podudara sa smjerom konstantne brzine opisuje jednadžbom: pri čemu je: DL = αL u DT = αT u Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

30 Utjecaj konvekcije, disperzije, retardacije i razgradnje
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

31 Početni i rubni uvjeti Početni uvijeti su definirani distribucijom koncentracije c0(x,y,t0) u početnom trenutku t0. Dirichletov rubni uvijet opisuje raspored koncentracije na rubu modeliranog područja. Neumanov rubni uvjet opisuje gradijent koncentracije okomito na rub modeliranog područja, što zapravo znači da opisuje protok kroz granicu. Cauchy-ev rubni uvjet definira ukupni protok kroz granicu tj. sumu konvektivnog i disperzivnog protoka. Ukupni protok (flux) je linearna kombinacija koncentracije na rubu ( c ) i derivacije koncentracije na rubu ∂c/∂n i može se izraziti kao: Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

32 Metode rješavanja jednadžbe pronosa
Koriste se: ‑ - analitičke jednadžbe ‑ - rješenja bez disperzije ‑ - metoda konačnih diferencija ‑ - metoda konačnih elemenata ‑ - metoda karakteristika ‑ - metoda slučajnog pomaka (RANDOM WALK) Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

33 Analitičke jednadžbe Jednodimenzionalni pronos u slučaju trenutnog upuštanja pri čemu je DL = αL u za u > 0 Početni uvjet (definiran Dirac-ovom funkcijom) Da rubni uvjeti nebi utjecali na rješenje mora biti zadovoljen uvijet: Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

34 Maksimum je u x = ut/R a širina se kreće brzinom u/R
u pozitivnom x-smjeru. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

35 Jednodimenzionalni pronos u slučaju kontinuiranog upuštanja
Pod idealnim uvjetima jednadžba širenja poprima oblik: pri čemu je: erf funkcija greške erfc komplementarna funkcija greške ξ mjesto upuštanja zagađivala (x = ?) Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

36 Raspored koncentracije za kontinuirano upuštanje
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

37 Dvodimenzionalni pronos u slučaju
trenutnog upuštanja Početni uvjeti i odgovarajući rubni uvjeti se mogu definirati kao: Rješenje jednadžbe pronosa pod spomenutim uvjetima ima oblik Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

38 Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

39 Model i realnost STRUJNICA IZRAČUNATA IZVOR ZAGAĐIVALA KONCENTRACIJA
STVARNA KONCENTRACIJA

40 Dvodimenzionalni pronos u slučaju kontinuiranog upuštanja
pri čemu je: Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

41 Dvodimenzionalni pronos za kontinuirano upuštanje
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

42 Rješenja koja ne uzimaju u obzir disperziju
Pristup se zasniva na iscrtavanju strujnica koje se mogu dobiti na više načina Strujnice za zdenac u paralelnom toku Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

43 Zdenac u struji podzemne vode
TOČKA STAGNACIJE RAZDJELNA STRUJNICA Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

44 Primjer izokrone od 50 dana - za izradu zaštitnih zona
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

45 Oblak zagađivala na putu prema zdencu
Primjer modeliranja bez disperzije i primjer načina sanacije zagađenja Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

46 Numeričke metode Metoda konačnih diferencija Pronos tvari
Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

47 Metoda karakteristika
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

48 Metoda konačnih elemenata
Metoda konačnih elemenata je superiorna nad metodom konačnih diferencija iz više razloga: - - elementima se može znatno bolje opisati geometrija modeliranog prostora - - postavljanjem stranica konačnog elemenata paralelno sa tokom u znatnom mjeri se smanjuje numerička disperzija - - pristup opisivanja polja tenzorima se znatno bolje uklapa u metodu konačnih elemenata nego u metodu konačnih diferencija - - rubni uvjeti se lakše opisuju Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

49 Metoda čestica Stvarna putanja čestice Numerički opis
Pomak čestica kod modeliranja pronosa Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

50 Svaka čestica se pomiče u vremenskom intervalu Δt za udaljenost x na novu lokaciju.
pri tome je: Z variabla sa normalnom distribucijom, srednjom vrijednošću 0 i standardnom devijacijom 1 Vidljivo da je za raspored frekvencije f(x,t) dobiven pri N →∞ lako dakazati da odgovara funkciji distribucije koncentracije. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

51 Jednadžba pomaka čestice se može izraziti :
U slučaju da je strujanje paralelno sa x-osi tada za dvodimenzionalni pronos vrijede jednadžbe: pri čemu su Z i Z’ dvije vrijednosti normalno distribuirane varijable. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

52 Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

53 Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

54 Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

55 Primjer sanacije crpilišta selektivnim crpljenjem
Sa hidrauličkig stanovišta za sanaciju zagađenja se najčešće koriste slijedeće mjere:  ‑ mjere za zaštitu pojedinog dijela vodonosnika (npr. zaštita crpilišta) izmjenom oblika strujnica ‑ mjere za ograđivanje jako zagađenih dijelova vodonosnika – obično se koriste za zaštitu od razgradivih zagađivala ‑ mjere za uklanjanje zagađivala iz vodonosnika što se koristi uglavnom kod nerazgradivih zagađivala. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

56 Sanacije in situ Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

57 Pristupi sanaciji zagađenja vodonosnika
Nakon što je zagađivalo ušlo u tlo se može pristupiti sanaciji zagađenja na tri načina: da se zagađivalo zajedno sa tlom ukloni s mjesta incidenta te da se nakon pročišćavanja deponira na nekoj drugoj lokaciji (on-site sanacija) da se zagađivalo razgradi u samom vodonosnom sloju ili nekim drugim biološkim, kemijskim ili fizikalnim procesom učini neškodljivim za okolinu (in –situ sanacija) da se hidrauličkim metodama izmjeni strujna slika i oblak zagađivala skrene iz područja koje se koristi za vodoopskrbu ili da se spriječi njegovo napredovanje Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

58 Metode sanacije u sloju se dijele prema:
Pristupu (ciljevima) na: Pretvorbu zagađivala u bezopasne oblike (uključuje i kemijsku ili mikrobiološku razgradnju zagađivala) 2. stabilizaciju zagađivala pretvorbom u netopive i nepokretne tvari 3. izmjenu strujne slike Mjestu (načinu) dodavanja reagensa: 1. površinske (voda se crpi, pročišćava te ponovo infiltrira u vodonosnik) 2. cjeđenjem u tlo 3. injektiranje u tlo 4. ostale (vitrifikacija,..) ■ Vrsti korištenog sredstva za poticanje željene reakcije : 1. kemijske 2. mikrobiološke 3. termalne 4. sredstva za solidifikaciju Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

59 Najčešće korištene in situ metode za sanaciju zagađivala:
■ Samopročišćavanje ■ Pospiješeni biološki procesi ■ Propusne reaktivne barijere - PRB (Biološka i sorpcijska barijera) ■ Ispiranje ■ Provjetravanje ■ Ograđivanje izvora zagađenja (Vertikalne i horizontalne barijere) ■ Natkrivanje ■ Crpljenje i tretiranje ■ Promjena strujne slike - hidraulički tretmani ■ Sniženje razine podzemne vode crpljenjem ■ Hidraulički tretman u kombinaciji sa barijerama ■ Termičke metode ■ Elektrokinetički tretmani ■ Vitrifikacija (staklo) ■ Kemijska oksidacija ■ Stabilizacija / Solidifikacija ■ Slamanje tla Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

60 Samopročišćavanje Samopročišćavanje podzemnih voda se zasniva na djelovanju procesa sorpcije, raspadanja i drugih prirodnih procesa koji smanjuju ukupnu masu zagađivala Razlikujemo četiri načina samočišćenja : Razrijeđenje - koncentracija zagađivala se smanjuje kao posljedica miješanja sa čistom vodom (disperzija), Sorbcija - zagađivalo se adsorbira na čestice tla te se na taj način imobilizira Biološka razgradnja - uz pomoć mikroorganizama prisutnih u tlu. Isparavanje - prelazak iz tekućeg u plinovito stanje omogućava migraciju zagađivala iz tla u atmosferu. Ovisno o vrsti zagađivala ova metoda može biti jednako brza i uspješna kao i ostale. Prednost joj je relativno mala aktivnost u okviru zagađenog prostora (praktički samo nadzor), što rezultira manjim investicijskim potrebama tj. izgradnja mreže opažačkih bušotina i redovito uzorkovanje Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

61 Pospiješeni biološki procesi
Biološkim je tretmanom omogućeno čišćenje okoliša koristeći se sposobnošću mikroorganizama da razgrađuju pojedine kemijske supstance. Mikrobi mogu u potpunosti razgraditi pojedina zagađivala. Kako bi se osigurao rad sustava, tj. život mikroorganizama, potrebna je odgovarajuća temperatura, odgovarajuće hranjive tvari (gnojiva), kisik u tlu i podzemnoj vodi i naravno mikroorganizmi. Uvjeti biološke razgradnje se mogu poboljšati upuhivanjem zraka (bioventiliranje), dodavanjem hranjivih tvari ili mikroba. Kad jednom razgrade sva zagađivala (njima hranjiva), mikrobi ugibaju. Ovo je vrlo sigurna metoda za korištenje. Koriste se mikrobi koji već postoje u tlu i neškodljivi su za ljude. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

62 Mikroorganizmima protiv onečišćenja
- Inini istraživači i znanstvenici razvili su različite postupke bioobnove koja se definira kao postupak iskorištavanja sposobnosti mikroorganizama da koriste različite kemijske spojeve kao izvor hrane, a to je korak do njezine učinkovite primjene u ekološkoj praksi. - Mikroorganizmi (kvasci) na kapljici nafte nakon dvodnevnog uzgoja lučenjem površinskih aktivnih tvari razbijaju uljne supstrate koji nakon izvjesnog vremena u mikroskopski malim kapljicama prolaze kroz membranu stanice. To predstavlja početak razgradnje onečišćenja Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

63 Propusne reaktivne barijere - PRB
Propusna reaktivna barijera (PRB) je podpovršinska pregrada (zagat) sastavljen od materijala koji će ukloniti (ili pospješiti uklanjanje) zagađivala iz podzemne vode. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

64 Biljna razgradnja Biljna razgradnja koristi biljke za in situ pročišćavanje zagađenih tala, sedimenata i podzemne vode. Najprikladnija je za plitka zagađenja organskim tvarima, hranjivima i metalima. Osim čišćenja koristimo ih i u prevenciji raznošenja kontaminacije vjetrom i podzemnom vodom u okolna područja. Korijen zahvaća podzemnu vodu u kojoj su i zagađivala te ih razgrađuje. Zona u kojoj je pročišćavanje najintenzivnije je područje korijenja, a što je korijenje dublje, dublje se može provoditi i čišćenje. Jednom uneseni u biljku zagađivala se mogu: pohraniti u korijenu, stabljici ili lišću pretvoriti u manje opasne kemikalije unutar biljke pretvoriti u plinove te prijeći u atmosferu Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

65 Ispiranje In-situ ispiranje je način čišćenja zagađenog tla i podzemne vode upuštanjem vode ili neke kemikalije u tlo, kako bi se povećala efikasnosti rada metode crpljenja zagađivala. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

66 Provjetravanje Za izvlačenje lakohlapivih zagađivala može se koristiti i provjetravanje. Evaporacija se može ubrzati injektiranjem zraka i izvlačenjem nastalih produkata pomoću vakuum – pumpi, kompresora ili ventilatora. Upumpavanjem (ili samo upuštanjem) zraka u podzemlje poboljšava se brzina hlapljenja zagađivala, a također se povećava i njihova mobilnost. Zrak korišten kod ovih metoda također se može koristiti i za poticanje rasta mikroorganizama koji provode biološku razgradnju. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

67 Ograđivanje zagađenja
Područje zagađenja se može ograditi od ostatka vodonosnika ugrađivanjem nepropusnog zagata oko izvora zagađivanja. Također se zagađena zona može natkriti i ugraditi i nepropusna podina Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

68 Crpljenje i tretiranje
Jedna od relativno jednostavnih i pouzdanih metoda sanacije zagađivala je crpljenje zagađene vode iz sloja te njeno pročišćavanje na uređaju te ponovno upuštanje u vodonosnik. Crpke se koriste kako bi se kontaminirana voda dovela do površine gdje se pročišćava. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

69 U općem slučaju istraživači u slučaju hidrauličke sanacije zagađenja mogu modelirajući varirati:
‑ broj zdenca ‑ izdašnost zdenca ‑ položaj zdenca ‑ položaj filtera u zdencima Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

70 Sa hidrauličkig stanovišta za sanaciju zagađenja se najčešće koriste slijedeće mjere:
mjere za zaštitu pojedinog dijela vodonosnika (npr. zaštita crpilišta) izmjenom oblika strujnica mjere za ograđivanje jako zagađenih dijelova vodonosnika – obično se koriste za zaštitu od razgradivih zagađivala Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

71 Promjena strujne slike - hidraulički tretmani
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

72 Mjere za uklanjanje zagađivala iz vodonosnika
se koriste uglavnom kod nerazgradivih zagađivala. Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

73 Koncepcija istraživanja hidrauličke barijere
Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13

74 Laboratorijski modeli Pronos tvari Gjetvaj - Hidraulika 2012/13