modelarea matematicĂ a poluĂrii apelor subterane · pdf filesubterane în zona curti...

of 11 /11
,,Caius IacobConference on Fluid Mechanics&Technical Applications Bucharest, Romania, November 2005 MODELAREA MATEMATICĂ A POLUĂRII APELOR SUBTERANE ÎN ZONA CURTIŞOARA-SLATINA ANCA MARINA MARINOV 1 Abstract We consider an unconfined homogeneous, isotropic aquifer with a steady-state Darcian groundwater flow. The real case of groundwater pumping system in Curtisoara area is considered. The water quality of phreatic aquifer is strongly determined by the river’s Olt water quality. For this aquifer we propose a numerical method to solve the equation describing the one dimensional dispersion of a pollutant coming from the river Olt toward the aquifer. A numerical solution, obtained with an inplicite procedure is used. The influence of the pumping regime on the pollution phenomenon is considered. Our work is based on two models: the first one is a mathematical model describing the water advance in a saturated porous soil using a numerical code, and is applied for Curtisoara pumping system and the second model solves the dispersion equation for the groundwater in this area. The results give important information regarding the evolution of groundwater quality. Key words : groundwater, water quality, pumping system, concentration, advection, dispersion, numerical method. Rezumat În lucrare se analizează posibilitatea de poluare a acviferului cu suprafaţă liberă din zona Curtişoara-Slatina, datorită legăturii hidraulice dintre freatic şi râul Olt. Considerăm o mişcare permanentă într-un acvifer cu suprafaţă liberă omogen şi izotrop. Între acvifer şi râul Olt există un schimb permanent de apă în funcţie de regimul de pompare din frontul de captare Curtişoara. Calitatea apei subterane va fi influenţată de concentraţiile poluanţilor din rîul Olt. Pentru rezolvarea problemei se folosesc două modele matematice cuplate. Primul model rezolvă problema de curgere, folosind un program de calcul bazat pe metoda elementului finit, iar al doilea integrează ecuaţia de dispersie unidimensională pentru a da informaţii legate de înaintarea frontului poluant spre şirul de puţuri. Sunt calculate concentraţiile poluantului în apropierea puţurilor de captare. Cuvinte cheie: ape subterane, calitatea apelor, sistem de pompare, concentraţie, advecţie, dispersie, metode numerice. 1. Introducere Ne propunem să analizăm posibilităţile de poluare a acviferului freatic din zona Curtişoara. Acest front de captare este aşezat pe malul stâng al Oltului amenajat (lacul 1 prof. dr. ing. “Universitatea Politehnica Bucuresti “ şi CP la ISMA

Author: phungmien

Post on 07-Feb-2018

220 views

Category:

Documents


1 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • ,,Caius Iacob Conference on Fluid Mechanics&Technical Applications Bucharest, Romania, November 2005 MODELAREA MATEMATIC A POLURII APELOR SUBTERANE N ZONA CURTIOARA-SLATINA ANCA MARINA MARINOV1

    Abstract

    We consider an unconfined homogeneous, isotropic aquifer with a steady-state Darcian groundwater flow. The real case of groundwater pumping system in Curtisoara area is considered. The water quality of phreatic aquifer is strongly determined by the rivers Olt water quality. For this aquifer we propose a numerical method to solve the equation describing the one dimensional dispersion of a pollutant coming from the river Olt toward the aquifer. A numerical solution, obtained with an inplicite procedure is used. The influence of the pumping regime on the pollution phenomenon is considered. Our work is based on two models: the first one is a mathematical model describing the water advance in a saturated porous soil using a numerical code, and is applied for Curtisoara pumping system and the second model solves the dispersion equation for the groundwater in this area. The results give important information regarding the evolution of groundwater quality. Key words: groundwater, water quality, pumping system, concentration, advection, dispersion, numerical method.

    Rezumat

    n lucrare se analizeaz posibilitatea de poluare a acviferului cu suprafa liber din zona Curtioara-Slatina, datorit legturii hidraulice dintre freatic i rul Olt. Considerm o micare permanent ntr-un acvifer cu suprafa liber omogen i izotrop. ntre acvifer i rul Olt exist un schimb permanent de ap n funcie de regimul de pompare din frontul de captare Curtioara. Calitatea apei subterane va fi influenat de concentraiile poluanilor din rul Olt. Pentru rezolvarea problemei se folosesc dou modele matematice cuplate. Primul model rezolv problema de curgere, folosind un program de calcul bazat pe metoda elementului finit, iar al doilea integreaz ecuaia de dispersie unidimensional pentru a da informaii legate de naintarea frontului poluant spre irul de puuri. Sunt calculate concentraiile poluantului n apropierea puurilor de captare. Cuvinte cheie: ape subterane, calitatea apelor, sistem de pompare, concentraie, advecie, dispersie, metode numerice.

    1. Introducere

    Ne propunem s analizm posibilitile de poluare a acviferului freatic din zona

    Curtioara. Acest front de captare este aezat pe malul stng al Oltului amenajat (lacul

    1 prof. dr. ing. Universitatea Politehnica Bucuresti i CP la ISMA

  • Anca MARINOV Poluarea Apelor Subterane

    Arceti), la o distan de aproximativ 500 m de mal. Frontul de captare este format din 44 de puuri dintre care sunt n funciune 34. Puurile sunt aezate aproximativ paralel cu malul i pompeaz n jur de 118 l/s. Acviferul are o conductivitate hidraulic de aproximativ 35 m/zi i o transmisivitate de 350m2/zi.

    n lucrarea ( Constana 2005) s-a analizat curgerea n acviferul freatic din zona Slatina i influena variaiei debitelor pompate asupra regimului hidraulic. Astfel s-au trasat liniile echipoteniale i liniile de curent n acviferul cu suprafa liber.

    Din aceast analiz au rezultat direciile principale de curgere n acvifer i legturile hidraulice ntre acvifer i lacurile Arceti i Slatina (Oltul amenajat).

    Studiul pe care urmeaz s l facem este legat de influena debitelor pompate din frontul de captare Curtioara asupra curgerii n freatic i asupra polurii acviferului.

    Fig. 1 Linii echipoteniale (trasate pe baza msurtorilor din teren), n acviferul freatic din bazinul hidrgeologic Slatina. 2. Analiza curgerii n freatic, n zona Curtioara

    Din Fig. 2. rezult c n absena unor captri prin puuri, curgerea se face n freatic paralel cu Oltul (liniile de curent sunt perpendiculare pe hidroizohipse.

    Pornind de la analiza hidroizohipselor din Fig.1 (obinute din msurtori), n lucrarea ( Constana 2005) s-au determinat debitele care trebuie pompate din puurile

    2

  • CIC-F.Mech.&Tech.Appl., Bucharest, November, 2005

    frontului astfel nct liniile echipoteniale rezultate din calculele hidraulice s fie identice cu cele msurate. S-a tras concluzia c n aceast zon freaticul alimenteaz prin drenan acviferul sub presiune, prin acvitardul ce le desparte i s-au calculat debitele pierdute prin drenan. Puurile din frontul de captare au fost grupate din cauza scrii la care s-a lucrat. Poziia puurilor este schematizat n fig.2.

    Prin introducerea unor puuri de captare, liniile echipoteniale se modific, cptnd un aspect asemntor cu cel din figura 1. Astfel, n Fig.4 este desenat spectrul hidrodinamic al curgerii n acvifer, n situaia n care din puuri sunt pompate debitele din tabelul 1. Puurile au fost aezate la o distan de 500 m de malul lacului Arceti. Se observ c existena puurilor genereaz o curgere dinspre lac spre acvifer (prin frontiera 16-17-18, dintre acvifer i rul Olt).

    Toat apa venit din amonte i din latura (26-25) a acviferului este direcionat spre frontul de captare Curtioara. Debitele pompate n realitate din acest front sunt mai mici dect cele folosite n model. Acest lucru indic faptul c o parte din debite se pierd prin drenan n acviferul de medie adncime. Debitul pompat din freatic, n zona Curtioara, este Q=118 l/s=10195,2 m3/zi. n model s-a folosit un debit total pompat Qp=23500 m3/zi. Diferena de debit Qp-Q =13304,8 m3/zi, este pierdut prin drenan.

    Nivelul hidrostatic n zona Curtioara n acviferul de medie adncime, n absena pomprii, este ntre 115-110 m. n cazul n care se pompeaz din acviferul de medie adncime acest nivel va scdea sub 110 m deci este cu 6-7 m sub nivelul suprafeei libere din freatic. n concluzie prin acvitardul dintre cele dou acvifere va aprea fenomenul de drenan.

    Fig. 2. Echipoteniale n acviferul din partea stng a Oltului, n cazul n care debitul pompat din irul de puuri Curtioara este nul.

    3

  • Anca MARINOV Poluarea Apelor Subterane

    Fig. 3. Echipoteniale n acviferul din partea stng a Oltului, n cazul n care debitul pompat din irul de puuri Curtioara este cel dat n tabelul 1.

    Fig. 4. Echipoteniale, linii de curent i cmpul vitezelor n acviferul din partea stng a Oltului, n cazul n care debitul pompat din irul de puuri Curtioara este cel dat n tabelul 1. Detaliu.

    Din analiza spectrului hidrodinamic n zona Curtioara (Fig.4) au rezultat urmtoarele concluzii: 1. n zona captrii Curtioara se observ o puternic legatur hidrodinamic ntre regimul apelor subterane i cel al rului Olt. Pornind de la aceast observaie se caut s se modeleze variaia concentraiei apei din acviferul freatic, n apropierea puurilor, n funcie de calitatea apei din Olt i n funcie de regimul de pompare. 2. Se observ c datorit regimului de pompare apare o micare a apei dinspre Lacul Arceti spre freatic.

    3. Valorile vitezelor prin acvifer se pot calcula folosind spectrul hidrodinamic din Fig.4. Distana dintre hidroizohipse (pe vertical) este de 1 m iar latura unui triunghi (element finit) este de 500m.

    4

  • CIC-F.Mech.&Tech.Appl., Bucharest, November, 2005

    Valorile vitezelor din acvifer, dinspre Olt spre puurile de pompare sunt date n Tabelul 2. Dac porozitatea cinematic a acviferului , atunci 2,0=cn

    viteza Darcy sHK

    =U , (1)

    iar viteza real n pori este cn

    Uu

    = , (2)

    Tabelul1. Nr. Pu Q(m3/zi) H (m) s (m) I U (m/zi) u (m/zi) 1 2000 2 500 0,004 0,14 0,7 2 2000 2 500 0,004 0,14 0,7 3 5000 5 1000 0,005 0,175 0,875 4 5000 4 500 0,008 0,28 1,4 5 5000 4 500 0,008 0,28 1,4 6 3000 2 400 0,005 0,175 0,875 7 1500 1 300 0,003 0,116 0,58 3. Modelarea matematic a polurii acviferului freatic, n zona Curtioara.

    Ne propunem s determinm variaia n timp i spaiu a concentraiei unui poluant care, ajuns n apa subteran, este purtat de aceasta. Micarea poluantului n apa subteran se face att datorit existenei unui cmp de viteze ct i datorit unei difuzii moleculare. Cele dou fenomene se ntreptrund dnd natere unui proces complex, numit dispersia poluantului n mediul poros.

    Vom folosi mai nti un model unidimensional pentru situaia cea mai dezavantajoas, respectiv pentru puurile 4 i 5. n acest caz viteza real n acvifer este 1,4m/zi.

    Vom integra ecuaia dispersiei unidimensionale, considernd o concentraie constant pe frontiera domeniului (malul Oltului). Ecuaia dispersiei unui poluant ntr-un acvifer, pentru cazul unidimensional, se poate scrie:

    tC

    xCu

    xCDL

    =

    2

    2, (3)

    unde s-a notat cu C(x,t), concentraia poluantului ntr-un punct x din domeniu, la momentul de timp t. Viteza medie, real, a apei prin mediul poros este u i o vom considera constant, iar coeficientul de dispersie longitudinal, . Dispersivitatea (m) este constant n tot domeniul analizat.

    uD LL =

    L n cazul general, n care solul este neomogen i densitatea fluidului nu este constant, DL i u sunt funcii de spaiu i de timp, DL = DL(x,t), i u = u(x,t). Prima etap n prognoz va fi determinarea acestor parametrii la fiecare pas de timp i aproximarea lor cu valori constante pe pas de timp i spaiu.

    Discretizarea derivatelor pariale se poate face n diferite moduri, rezultnd diferite scheme n diferene finite sau elemente finite.

    5

  • Anca MARINOV