poluarea si protectia apelor subterane

5/26/2018 Poluarea Si Protectia Apelor Subterane

1/38

FacultateadeGeologieiGeofizic

DepartamentuldeIngineriegeologic

POLUAREASIPROTECIA

APELORSUBTERANE

notedecurssem.1

anulIVIGM

2011/2012

Iulian Popa, lect.dr.ing.


2/38

1

Curs1

INTRODUCERE

Poluare/Contaminare - antropica / naturala;

Calitatea apei: - ape de suprafata vs ape subterane;

Chimismulapeisubterane

Apele subterane - soluii apoase n echilibru. Compoziia lor chimiceste controlat/determinatde interaciunilechimice i biochimice cu formaiunile geologice traversate n timpul curgerii precum i de chimismul apelor infiltrate/derealimentare.

Caracteristicialechimismuluiapelor(Yaronetal1996):

Aciditate-alcalinitate exprimatprin pH, este afectatde calitatea apelor infiltrate (acide apeledin precipitaii, neutre/alcaline apele din irigaii sau eflueni) i compensat/tamponatde ctremediu.

Salinitate = concentraie total n sruri a soluiei, exprimat uzual prin TDS sau EC; anioniimajoritari sunt Cl, SO4

2si NO3iar cationii sunt reprezentati de Ca2+, Mg2+, Na+si K+. Compoziia

soluiilor din subteran variazntre compoziia apelor infiltrate i cea a soluiilor aflate n echilibrucu faza solid. Deoarece compuii anorganici dizolvai sunt preponderent n form ionic, apa

subteranpoate fi considerato soluie electrolit cu o conductivitate electricvariind de la zeci S(similar cu apa de ploaie) la sute i mii S (saramuri n bazine sedimentare). Compuii anorganici

dizolvai pot fi grupai n 3 clase: compui/constituieni majori (C

5 mg/l), compui/constituieniminori (C = 0,01 - 5 mg/l); compui urm(C0.01 mg/l).

Elemente urm = de origine natural sau antropic; compui anorganici, metale, metale grele,nemetale, pot apare n compoziia soluiilor subterane; adsorpia este cel mai important mecanism dedistribuie a elementelor urmntre fazele lichidi solidn subteran.

Liganzi organici = prezena lor n soluie determin complexarea compuilor anorganici urm cuimplicaii asupra strii de echilibru ntre fazele solidi lichid; prezena acestor compui organiciurm, cu origine natural sau antropic, este controlat de natura i proprietile coloizilor dinsubteran, de caracteristicile fizico-chimice ale moleculelor organice precum i de natura sistemuluisubteran.

Prezenta gazelor. Apa subteranpoate conine gaze dizolvate ca rezultat al: circulaiei superficiale/lasuprafa nainte de infiltrare, contactului cu faze gazoase n subteran, activitii biologice sub

nivelul apei subterane. Cel mai important gaz dizolvat este CO2, cu o influendominantin specialasupra dizolvrii mineralelor carbonatice (calcit, dolomit). Dac un mineral carbonatic se dizolvntr-o ap care este n echilibru cu o surs constant de CO2atunci concentraia acidului carbonicdizolvat rmne constanti ridicat. Mediul subteran este, n general, un sistem deschis. PrezenaCO2 i a altor gaze n atmosfer afecteaz presiunea parial a diverilor constituieni gazoi din

.subteran

Mediul subteran

1. Faza solida

2. Faza lichida3. Faza gazoasa


3/38

2

Surse de poluare pentru apele subterane: naturale/antropice (exemple)- sisteme septice- mici depozite de deeuri- produse chimice pentru casi gradin- ape de suprafapoluate- gropi de gunoi

- depozite de material antiderapant i pentru nlturarea gheii de pe osele- sisteme de depozitare subterane- iazuri de decantare- fertilizatori utilizai n agricultur- pesticide- aplicarea de ngrminte animale i ape uzate- substane toxice i periculoase- scurgeri/pierderi la transportul i transferul substanelor- foraje deteriorate- obiective miniere dezactivate/nchise

- cresctorii de animale- apele de scurgere din zonele urbane- excavaiile pentru diverse construcii- cimitire- contaminri naturale,- etc.

Pozitia sursei: punctuale / difuz

a /

e

subteranede suprafat

Tipuri de surse: mare diversitate

ipuri de contaminan

foraje !!!

ti / contaminari

fizica / chimica / biologica / radiologica

T

ElementedechimiaapeiSolutie = amestec macroscopic omogen format din dou sau mai multe substane care nu interacioneazchimic i alctuiesc o singurfaz.

O soluie are drept pri componente: dizolvantul (solventul) care este n cantitate mai mare i imprimstarea de agregare a soluiei; substana dizolvat(solutul).

Concentratiaunei soluii este o mrime ce exprimcantitatea de substandizolvatn raport cu cantitateade solvent i se poate exprima n modurile urmtoare:

a. fizic, neinnd seama de natura chimica substanei:

concentraia de masprocentual(%) sau la mie (): cantitate (grame) de substandizolvatn100 sau 1000 grame de soluie;

titrul(T): cantitate (grame) de substandizolvate n 1 cm3 soluie;b. chimic, innd cont de natura chimica substanei:

concentraia molar(m): numrul de moli de substandizolvatn 1000 cm3 soluie; concentraia molal: numrul de moli de substandizolvai n 1000 cm3 solvent; concentraia normal(n): numrul de echivaleni-gram de substandizolvatn 1000 cm3 soluie;

Exist patru factori principali care controleaz rata (viteza) de propagare a unui contaminant n cadrulacviferului:


4/38

3

1. Condiiile hidraulice. n cazul acviferelor superficiale, freatice, cu o slab protecie fa decontaminarea antropicde la suprafaa terenului, calitatea apelor subterane se poate deteriora rapid

prin infiltrarea de poluani de la suprafa. n cazul acviferelor sub presiune, atunci cnd debitulpompat depete valoare optim, calitatea apelor subterane se modificdatoritunor surse lateralesau subjacente i mai puin influenei directe a polurii de la suprafa. Astfel, calitatea apelorsubterane este de regulmult mai stabildect n cazul acviferelor freatice.

2. Influena exploatrii apelor subterane asupra zonelor vecine. n zone agricole sau industrialen care apele subterane sunt intens exploatate (pompate) se dezvolt o zon depresionar princoborrea nivelului piezometric. Debitul pompat este compensat (total sau parial) prin realimentareade la suprafaastfel nct, n zona de influena pomprii, apa subteraneste n principal reciclat.Aceastreciclare conduce la o cretere a salinitii i implicit la o poluare locala apelor subterane.

3. Managementul acviferelor n zone costiere. Intruziunea de ap srat n zonele costiere esteresponsabilde deteriorarea calitii apelor subterane i de scoaterea din funciune a unor foraje. Unexemplu tipic este Israelul (Melloul and others 1988; Goldman and others 1991).

4. Prezena i extinderea corpurilor de ap de suprafa poluate, atunci cnd sunt n legturhidraulic cu acvifere freatice/fisurate. Ex.: Llobregat valley in Catalonia, Spain, (Custodio andGalofre, 1987), rul Hadera (Zoller and others 1990; Azmon 1992), zona semi-ariddin vecintatea

akhish Wadi in Israel (Melloul and others 1991).L

Transportul soluiilor

a. Transport la echilibru (nereactiv)

- advecie (convecie), difuzie molecular, dispersie mecanic.

b. Transport reactiv

- procese de degradare (bio-, dezintegrare radioactiva),- procese de sorptie,- disolutie/precipitare.


5/38

4

Curs2

Transportul poluanilor miscibili (soluiilor)

a.Transportlaechilibru(nereactiv)

advecie(convecie),difuzie,dispersiemecanic.

b.Transportreactiv

b1.Transformribiologice(biodegradare)

- reacii de degradare a compuilor organici, a cror cineticeste controlatde prezena/abundenamicroorganismelor i de condiiile redox.- un mecanism important de reducere a concentraiei soluiilor poluante, dar care poate conduce laapariia unor compui nedorii (filiaie).

b2.Dezintegrareradioactiv

- scderea ireversibila activitii (concentraiei) unui radionuclid, printr-o reacie nuclear.

- un mecanism important de atenuare, cnd perioada de njumtire este comparabilcu intervalulde timp ct exist soluia poluant n apa subteran; apar probleme suplimentare datoratefenomenului de filiaie.

b3.Adsorbie

- reacia ntre soluie i suprafaa solidului cauznd modificarea fazei solide prin atragereaparticulelor din soluie.- este un mecanism important care reduce viteza pe care solu ia o are aparent n micare; face maidificilmicarea soluiei.

b4.Disoluie/precipitare

- Procesul de adugare de componente n soluie prin reacii de dizolvare sau de creare de alicompui.- Precipitarea este un mecanism de atenuare care poate limita concentraia n soluie. Disoluiaacestor solide poate ncetini procesul de dizolvare n cadrul acviferului, acionnd ca surse continue.

b5.Reaciiacidbaze

- Reacii privind transferul de protoni.- Exercitun control indirect, dar important, asupra transportului n soluie prin controlul pH-uluiapelor subterane.

b6.Complexare

- Combinarea cationilor i anionilor pentru a forma un ion mai complex.

- Un mecanism care produce creterea mobilitii metalelor prin formarea unor ioni (ncrcai saunencrcai electric) sau prin creterea solubilitii lor (metalelor).

b7.Hidroliz/Substituie

- Reacia unui compus organic cu apa sau cu un component (ion) al apei (hidroliz) sau cu alt anion(substituie).- Adesea reaciile de hidroliz/substituie produc un compus organic mai susceptibil la biodegradarei mai solubil.

b8.Reaciiredox(oxidoreducere)

- Reacia chimicn care are loc un transfer de electroni de la o specie chimiccare poate cedaelectroni (donor), la o alta care poate primi electroni (acceptor).

- O familie de reacii care afecteazmobilitatea metalelor prin schimbarea sarcinilor ionice i asolubilitii, iar pentru compuii organici prin reacii de degradare.


6/38

Trasor (ideal=conservativ / neconservativ)

Prin trasor definim orice substan cu proprieti fizico-chimice cunoscute, existent sau introdus nsubteran, a crei evoluie poate fi monitorizatspaial i/sau temporal n diferite puncte de observaie (forajede pompare, izvoare etc.).

Un trasor ideal este cel care are un comportament conservativ, asemntor apei, frnici o interaciune fizic

sau chimiccu mediul (ex. Cl

-

, H

+

, B

-

).

Mecanisme de transfer

Analiza transferului poluanilor miscibili poate fi realizatla dounivele. La nivel microscopic, reprezentatde scara porilor, principalele mecanisme de transport pot fi descrise numai din punct de vedere calitativ. Lanivel macroscopic se poate prezenta o relaie ntreforele generalizate, care genereazmicarea ifluxul demas. Toate aceste relaii sunt de fapt legi empirice de micare obinute n urma unor experimente la diferitescri.

Dac un singur contaminant/poluant/trasor este prezent n apa subteran atunci variabila de baz esteconcentraia sa C (= M/V = masa de poluant pe unitatea de volum a apei din pori).

Fluxuldemas (masic)q,F [ML2T

1]pentru un poluant miscibil se definete ca masa de substandizolvat

care traverseazo seciune unitarn unitatea de timp.

DebitulspecificsauvitezaDarcyU,vD[L/T]reprezintvolumul de soluie ce traverseazntreaga seciune aacviferului n unitatea de timp.

Viteza liniar v [L/T] este reprezentat prin volumul de soluie ce traverseaz o seciune unitarcorespunztoare numai spaiului poros. Considernd porozitatea efectiv, nereprezentatde porii care permittransferul soluiei, relaia dintre viteza liniari debitul specific este:

e

D

n

vv=

Tortuozitateaeste un alt parametru implicat n descrierea micrii unui poluant, fiind o msura geometriei

spaiului poros. Dacnotm cu Lf distana parcursde poluant ntre doupuncte de-a lungul canalului depori i cuLdistana n plan ntre cele doupuncte, atunci tortuozitatea se definete astfel:

L

Lf=

Astfel este ntotdeauna mai mare dect 1, cu valori pentru mediile granulare ntre 1.301.75.

Principalele mecanisme care guverneaz transportul soluiilor n medii poroase sunt: convecia (advecia),difuzia, dispersia mecanic, procesele de partiionare i degradare.

5


7/38

Transferul poluanilor prin advecie (convecie)

Advecia sauconveciaeste procesul prin care o soluie cu concentraie C se deplaseazcu viteza medie afluidului. Dacveste viteza Darcy atunci fluxul masic transportat prin advecie este exprimat prin relaia:

vCqa =

Dacse folosete viteza liniarmedie atunci fluxul advectiv devine:

Cvnq lea =

unde ne este porozitatea efectiv.

A doua ecuaie fundamentalse referla conservarea masei trasorului/poluantului:

( )a

e

qt

Cn

=

( )vnCCvnt

Cn eee +=

n ipoteza unui regim de curgere staionar termenul secund din membrul drept se anuleazi avem:

z

Cv

y

Cv

x

CvCv

t

Czyx ==

Pentru cazul curgerii 2D ecuaia devine:

y

Cv

x

Cv

t

Cyx =

Astfel, pentru un cmp de viteze dat avem de determinat concentra ia trasorului, n condiiile unui sistem deipoteze simplificatoare (regim staionar, difuzie/dispersie neglijabil, frprocese de sorbie, fr influeneale trasorului asupra fluidului ex. efect densitar). Cu toate acestea, n majoritatea cazurilor practice seconsiderca advecia este principalul proces de transport.

Dacpoluantul este transportat numai prin advecie, o interfanetva separa zona contaminat de restul

acviferului. Aceastcaracteristiceste cunoscutsub denumirea de curgere piston, prin care domeniul esteseparat n dou zone distincte: una poluat i care are n orice punct concentraia sursei i alta n careconcentraia iniial rmne neschimbat. Reprezint cea mai important modalitate de transport a unuicontaminant n cadrul unui acvifer.

Transferul poluanilor prin difuzie molecular

Dacavem un sistem binar perfect, n repaus, compus dintr-un solvent i un solvat, acesta din urmva tindesse deplaseze pentru a uniformiza compoziia sistemului (concentraia) i a atinge astfel un minim energetic(Biver, 1992).

Difuzia este procesul prin care o soluie se amestec cu un alt fluid datorit micrii moleculare. Trebuieremarcat cdifuzia poate apare i n lipsa micrii fluidului. Experimentele aratcntotdeauna poluantul seva deplasa de la zona cu concentraie mare ctre cea cu concentraie mai mic. Astfel,fora generalizatcare

6


8/38

determindifuzia estegradientul concentraiei. Procesul este esenial tranzitoriu deoarece transferul de masva avea loc att timp ct existun gradient de concentraie. Reprezint, n general, un mecanism de transportde ordin 2, convecia i dispersia fiind dominante.

Legile difuziei au fost deduse de Adolf Fickn anul 1855.

Prima Lege a lui Fickse aplicn cazul proceselor de difuzie staionare, adicatunci cnd concentraia nuse modificn timp n cadrul volumului respectiv (qin=qout).

Conform legii de micare, fluxul de masdifuziv qdeste proporional cu gradientul de concentraie:

x

CDgradCDq ddd ==

unde qdeste fluxul difuziv [(cantitatesubstan) L

-2T-1], [mol m-2s-1] Ddeste coeficient de difuzie[L

2T-1], [m2s-1].

C este concentraia [(cantitate substan) L

-3

], [mol m

-3

] xeste abscisa punctului [L], [m]

D este proporional cu viteza particulelor difuzate, care depinde la rndul ei de temperatur, vscozitateafluidului i mrimea particulelor conform relaiei Stokes-Einstein:

f

TkD = unde

k =1.38 x 10-23 - constanta Boltzman, T temperatura, f constanta de friciune. Pentru particule sfericecoeficientulfeste dat de relaia Stokes:

= rf 6

cu r raza particulelor, - vscozitatea fluidului.

Semnul minus arat c micarea are loc ntotdeauna din punctul cu concentraie mai mare ctrepunctul cu concentraie mai mic. Deoarece difuzia este efectul micrii de agitaie molecular, coeficientulde difuzie Dd este dependent de temperatur. Pentru diferii ioni dizolvai n ap pur, la temperatura de200C, valorileDdvariazntre 1.02.0 x 10

-9 m2/sec, avnd la temperatura de 50C jumtate din valoarea de la200C.

n cazul apelor subterane micarea poluanilor este mpiedicat/ntrziatde ciocnirea i frecarea cupereii canalelor de pori. n consecin, traseul strbtut de particule va fi mai mare iar coeficientul de difuziese va diminua. Cu alte cuvinte, Dd este legat de tortuozitate i de porozitatea efectiv. Pentru a exprima

proprietile mediului poros a fost introdus coeficientul de difuzie efectiv D*, definit ca:

dDn

D=*

Deoarece n < 1 i > 1, coeficientul de difuzie efectiv D* va fi ntotdeauna mai mic dectcoeficientul de difuzieDd.

Pentru molecule de naturbiologiccoeficientul de difuzie n general ia valori n domeniul 10-11-10-10[m2s-1].

7
http://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Fickhttp://en.wikipedia.org/wiki/1855http://en.wikipedia.org/wiki/Amount_of_substancehttp://en.wikipedia.org/wiki/Viscosityhttp://en.wikipedia.org/wiki/Viscosityhttp://en.wikipedia.org/wiki/Amount_of_substancehttp://en.wikipedia.org/wiki/1855http://en.wikipedia.org/wiki/Adolf_Fick


9/38

Cea de-a doua lege a lui Fickse aplicn cazul proceselor de difuzie nestaionare, atunci cnd concentraian cadrul volumului se modificn timp:

8

2

2

x

CD

t

Cd =

unde C este concentraia [(cantitate) L-3], [mol m-3] teste timpul [s] Dd este coeficientul de difuzie[L

2T-1], [m2s-1] xeste abscisa [L], [m]

Se poate obine din prima lege a lui Fick i ecuaia de conservare a masei:

==

x

CD

xq

xt

Cd

PresupunndDd= ct.se pot schimba ordinele diferenierii i multiplicm cu constanta:

2

2

x

CDC

xxDC

xD

xddd

=

=

ajungnd n acest mod la ecuaia lui Fick n forma prezentatmai sus.

Pentru cazul difuziei 3-D cea de-a doua lege a lui Fick este de forma:

CDt

C

d

2

=

, unde este operatorul divergen.

n cazul n care coeficientul de difuzie nu este constant, dar depinde de coordonate i/sau concentraii, legeaa doua a lui Fick este de forma:

( )CDt

Cd =

De exemplu, pentru difuzie n regim staionar, termenul stng al ecuaiei de mai sus va fi zero. Pentru cazulmonodimensional i atunci cnd Dd=ct. concentraia va avea o variaie liniarcu distanax.

Variaia coeficientului de difuzie funcie de temperaturn general poate fi descrisde ecuaia:

RT

E

d

A

eDD= 0

unde: Ddeste coeficientul de difuzie, D0este coeficientul de difuzie maxim (la temperaturinfinit) EAeste energia de activare pentru difuzie [energie (cantitate de substan)

-1] T este temperatura (grade Kelvinsau Rankine) R este constanta gazului [energie x temperatur-1(cantitate de substan)-1]

n general coeficientul de difuzie pentru un compus este de ~10000 mai mare n aer dect n ap. Dioxidul decarbon are un coeficient de difuzie de 16 mm/s n aer i 0.0016 mm/s n ap.
http://en.wikipedia.org/wiki/Kelvinhttp://en.wikipedia.org/wiki/Rankinehttp://en.wikipedia.org/wiki/Rankinehttp://en.wikipedia.org/wiki/Kelvin


10/38

Curs3

Transferul poluanilor prin dispersie mecanic

Sconsiderm un experiment n care un trasor colorat, cernealde exemplu, este injectat continuu la captulunei probe. Dacpresupunem ctrasorul se deplaseaznumai prin convecie atunci o interfanetva separazona ocupatde trasor de restul probei. Distribuia concentraiei de-a lungul probei la un moment dat va fi o

funcie treapt. Cu toate acestea experiena arato mprtiere gradata trasorului, manifestatprin apariiaunei zone de tranziie ntre zona cu concentraia sursei i zona de concentraie nul(Figura 3.1). Se pare cunele particule se deplaseazmai repede iar altele mai ncet fade viteza medie.

Figura 3.1: Dispersie longitudinalntr-o coloanexperimental

ntr-un alt exemplu, sconsiderm o injecie instantanee de trasor ntr-un acvifer omogen. Se admite ccurgerea n acvifer este uniform, cu viteza v i nu este afectat de injecia trasorului. Dac se presupunenumai advecie, ntr-un foraj de observaie plasat de-a lungul liniei de curent se va nregistra o distribuie aconcentraiei similarcelei din sursdar decalat n timp (Figura 3.2). ntr-un foraj plasat lateral nu va finregistrat trasor. Cu toate acestea, conform rezultatelor msurtorilor, n ambele foraje se va nregistra odistribuie n form de clopot a concentraiei. Din nou, se pare c unele particule se deplaseaz cu viteze

diferite pe direcie longitudinal pe lng o mprtiere lateral a trasorului. Datorit mprtierii lateralemediul va prezenta o anizotropie dei este izotrop din punct de vedere al curgerii (Figura 3.2). Toate acesteobservaii arat c trasorul nu se deplaseaz cu viteza medie ns sufer o mprtiere pe parcursultransportului. Acest proces este cunoscut ca dispersie mecanicsauhidraulici apare ca efect al variaiilorlocale de vitezla scarmicroscopic(scara porilor).

Figura 3.2: Dispersie longitudinali transversaln acvifer uniform

Pentru explicarea dispersiei mecanice pot fi considerate 3 mecanisme (Bear,1979, Fetter,1991),toate innd seama de variaia geometriei porilor (Figura 3.3):

- datoritvscozitiiapar variaii ale vitezei de-a lungul seciunii porilor; ca urmare particulele sevor deplasa mai repede pe axul canalului porilor dect n apropierea pereilor;

9


11/38

- diferenele de dimensiuneale porilorvor conduce la viteze medii diferite; astfel, particulele sevor deplasa mai repede n unii pori (cei de dimensiuni mai mici);

- a treia cauza este tortuozitatea, care face ca unele particule sse deplaseze pe trasee mai scurtedect altele.

Figura 3.3: Cauzele dispersiei mecanice (hidraulice) la scara porilor

Tortuozitatea, pe lng ramificarea canalelor de pori, este responsabil de mprtierea lateral a

particulelor care determin anizotropia mai sus menionat (Figura 3.4). Toate aceste procese la scarmicroscopic au ca efect macroscopic un continuu amestec al radionuclidului cu apa pe parcursultransportului. Procesul de dispersie mecanic de-a lungul direciei principale de curgere este cunoscut cadispersie longitudinal, n timp ce pe direcie perpendicularare loc dispersie transversal.

Dispersia mecanic poate apare i la scar macroscopic datorit variaiei conductivitii hidraulice. Unexemplu este cazul unui acvifer multistrat cu gradient constant: contrastul de conductivitate hidraulic vagenera viteze diferite astfel nct un poluant uniform distribuit la captul sistemului se va deplasa cu vitezediferite n fiecare strat. Rezulto mprtiere mult mai puternicdect cea de la scarmicroscopic.

Figura 3.4: Mecanismul dispersiei transversale la scara porilor

n analiza dispersiei se observcla scarmacroscopicprocesul este puternic dependent de gradientulde concentraie: mprtierea este mai puternicpe msurce crete gradientul de concentraie i va incetaodatcu anularea acestuia.

Astfel, gradientul de concentraie reprezintfora generalizatcare produce dispersia iar fluxul de maspentru un poluant este dat de relaia:

gradCDq = (3.1)

Rezult c dispersia este guvernat de o lege de tip Fick ca i difuzia. Diferena esenial estereprezentatde coeficientul de proporionalitate D, cunoscut ca coeficient de dispersie, care exprim toateobservaiile experimentale prezentate anterior. Spre deosebire de coeficientul de difuzie, coeficientul de

10


12/38

dispersie are cel puin dou componente pentru a exprima anizotropia observat. n al doilea rnd,coeficientul de dispersie va fi dependent de viteza apei deoarece dispersia apare numai n timpul deplasrii

poluantului. Admind un model de curgere 2D n care qx i qy sunt componentele fluxului de mas de-alungul axelor iar direcia de curgere este n lungul axei x, vom avea:

11

Uq

Uq

Ty

Lx

=

= (3.2)

Aici U este viteza Darcy pe direcia de curgere iar L i T reprezint dispersivitatea longitudinal,respectiv transversala mediului. Avnd dimensiuni de lungime,dispersivitile sunt parametri macroscopicicare cuantific toate fenomenele de mprtiere care au loc la scar microscopic. Ca i permeabilitateaintrinsec, dispersivitatea este un parametru de material. Totui, n vreme ce permeabilitatea este legatdecaracteristicile mediate ale mediului poros (conductivitate hidraulicmedie sau tortuozitate), dispersivitateaeste legatde variana acestor parametri. Atunci cnd direcia de curgere nu coincide cu axele de coordonate,componentele coeficientului de dispersie devin:

( )

( )

( ) UUUD

UUUDD

UUUD

yTLTyy

yxTLyxxy

xTLTxx

/2

2

+=

==

+=

(3.3)

n care Uxi Uysunt componentele vitezei Darcy U.Astfel, pentru cazul general, coeficientul de dispersieeste un tensor simetric de ordin doi iar legea de micare va avea expresia:

gradCDqD = (3.4)

n care componentele tensorului D pentru cazul 2D sunt date de relaia (3.3).

Dispersia hidrodinamic. Relaia difuzie molecular-dispersie mecanic.

Deoarece att difuzia ct i dispersia sunt generate de gradientul de concentraie i innd cont deliniaritatea legii lui Fick, relaiile (1.5) i (3.4) pot fi combinate conducnd la expresia:

gradCDq hDh = (3.5)

n care hD reprezintcoeficientul de dispersie hidrodinamic,definit ca suma coeficienilor de dispersie i

difuzie:

*DDDh += (3.6)

Fluxul de masdat de relaia (3.5) rezultdin superpoziia fluxurilor difuziv i dispersiv. De fapt celedoucomponente ale mprtierii nu pot fi separate deoarece dispersie mecanicpurnu exist. Chiar dac

procesul este predominant dispersiv vom avea ntotdeauna difuzie ntre i de-a lungul liniilor de curent.

Ponderea celor doucomponente a fost stabilitempiric (Bear, 1979, Domenico & Schwarz, 1991) nurma unui experiment n coloan. Pentru o mai bun reprezentare vor fi considerate dou valoriadimensionale: DL/Dd raportul dintre coeficientul de dispersie longitudinal i coeficientul de difuzie inumrul Peclet definit ca:

d

eDvdP = (3.7)


13/38

unde veste viteza liniariar deste dimensiunea medie agranulelor. Valori mari ale Pe indic un proces

predominant convectiv n timp ce valori mai micicaracterizeazun proces dominant difuziv.

Figura 3.5: Relaia empiricntre dispersie i difuzie

nfigura 3.5sunt prezentate, ntr-o formsimplificat, rezultatele unui experiment n coloan. ntr-un graficDL/Dd =f(Pe) se pot distinge cinci zone:

Zona 1 - valori Pe


14/38

Curs4

Ecuaia generalde transport (transfer masic) pentru poluani miscibili

Ecuatia de transport are la baza principiul conservarii masei si un model conceptual continuu. Sa consideramun volum de control infinitezimal mic dxdydz din mediul poros saturat (Figura 1.8). Intr-un sistem decoordonate carteziene, termenul qreprezinta fluxul de masa total cu componentele qx, qyandqzin vreme cedebitul specific U are componentele Ux,Uyand Uz. In conformitate cu conservarea masei, diferenta dintrecantitatea totala de solut care intra si iese din volumul de control va egala cantitatea totala de solutinmagazinata in acelasi volum. Cu notatiile din Figura 1.8avem:

Cantitatea totala de solut care intra in volumul de control intr-un interval de timp scurt teste:

tdxdyqdxdzqdydzqm zyxi ++= (1.21) Pentru acelasi interval de timp tmasa de solut care iese din volumul de control este:

tdxdydzz

qqdxdzdy

y

qqdzdydx

x

qqm zz

y

yx

xe

++

++

+= (1.22)

Bilantul net intre masa care intra si cea care iese din volumul de control este:

tdxdydzdivqtdxdydzz

q

y

q

x

qmmm z

yxeid =

+

+== )( (1.23)

Figura 1.8: Conservarea masei unui trasor pentruun volum de control

Admitand numai procese la echilibru, variatia masei care se inmagazineaza in volumul infinitezimal in

intervalul tare doua componente:

- n , reprezentand masa acumulata in volumul porilor, sidxdydzC

-( )

, care este masa acumulata la interfata solid fluid prin partitionare.dxdydzCn *1

13


15/38

Astfel, variatia cantitatii totale acumulate este:

14

( )[ ]dxdydzCnCnmac *1 += (1.24)

Aici C si C* sunt concentratiile de solut in pori, respectiv la interfata cu solidul, iar n este porozitateaefectiva. Conservarea masei de solut se obtine egaland relatiile (1.23) si (1.24) si trecand apoi la limita

pentru t=0. Obtinem astfel:

( )t

Cn

t

Cnqdiv

+

=

*

1 (1.25)

Pe de alta parte, fluxul total de masa qeste suma fluxurilor de convectie si de dispersie hidrodinamica. In

concordanta cu relatiile (1.3) si (1.11) avem:

gradCDCUq h= (1.26)

Prin combinarea ultimelor doua ecuatii se obtine:

( ) ( ) tCn

tCnCvCgradDdiv h +=

*

1 (1.27)

Sa consideram mai intai un trasor ideal. In acest caz, termenul secund din partea dreapta a ecuatiei (1.27) vadispare si, prin impartire la n, rezulta ecuatia de transfer de masa pentru un trasor ideal:

( )t

CCvgradCDdiv lh = (1.28)

unde vlsemnifica viteza liniara.

Figura 1.9: Retardarea pentru un trasor cu adsorbtie liniara


16/38

Curs5

Procese de partiionare (sorbie)

Un trasor care nu interacioneazcu matricea solideste un trasor ideal. Un exemplu tipic este o soluie cuioni 3H, nsexisti ali ioni, cum ar fi Cl-, B-care se comportca un trasor ideal.

Procesul prin care un solut este scos din soluie i fixat n matricea solidse numete sorbie. Procesele desorbie includ: adsorbie, chemosorbie, absorbie.

Soluiile dizolvate n apa subteran pot suferi diferite procese care determin eliminarea lor sau mcarncetinirea transportului:

- Sorbie pe suprafaa granulelor minerale sau de ctre C organic,- Reacii de precipitare,- Degradare bioticsau abiotic,- Reactii de oxido-reducere,- Dezintegrare radioactivn cazul radionuclizilor.

Ca rezultat al proceselor de sorbie unele soluii se vor mica/deplasa mai ncet = retardare.

Procesele de biodegradare, dezintegrare radioactivi precipitarea determin scderea concentraiei dar nuneaprat i a ratei de transfer.

Ecuaia 1D de advecie-dispersie:

tC

xCv

xCD xL

=

2

2

(1.29)

poate fi adaptatpentru a include i sorbia i degradarea:

r

dxL

t

C

t

CB

x

Cv

x

CD

t

C

+

= *

2

2

(1.30)

unde

C, C* - concentraia solutului n faza lichidrespectiv adsorbit la suprafaa solidului

DL coeficient de dispersie longitudinal

vx viteza liniarmedie a apei subterane

Bd densitatea matricii solide

- umiditatea volumicsau porozitatea (pentru

form. acvifere)

Figura 1.10: Mecanismul schimbului ionic

15


17/38

16

Procesele de sorbtie includ: adsorbie, chemosorbie, absorbie, schimb de ioni. Cel mai frecvent proces esteadsorbiai constn extragerea ionilor sau moleculelor din soluie i fixarea lor la suprafaa matricii solide.Principalul mecanism de adsorbie este schimbul de ioni. Atunci cnd matricea solid conine sarcinielectrice ne-neutralizate, suprafaa sa este ncrcatelectric i este capabilsatragionii dizolvai n soluie.Adsorbia se datoreazn special mineralelor argiloase avnd sarcini negative. n consecincel mai frecventadsorbii vor fi cationii de genul Al3+,Ca2+, NH4

+, etc. Dei schimbul de cationi este cel mai frecvent proces

de adsorbie, poate apare i schimb de anioni dac sunt prezeni oxizi de fier sau aluminiu. Legturileelectrostatice ale ionilor adsorbii sunt suficient de slabe astfel nct ei pot fi schimba i cu ali ioni din soluie.Un exemplu este prezentat nFigura 1.10, undeK+este nlocuit cuNa+. Deasemenea este posibil i procesulinvers, de trecere n soluie a ionilor de pe suprafaa matricii solide.

Atunci cnd apare chemosorbiasolutul este extras din soluie prin reacii chimice. Un alt proces de sorbiela interfaa lichid-solid este absorbia, care constn difuzia i reinerea solutului n interiorul matricii solide(granulele minerale sunt poroase). Rezultatul global al tuturor acestor procese este partiionarea solutuluintre matricea solidi soluie.

Procesul prin care un contaminant este distribuit ntre soluie i faza solid partiionare.

Clasificareareaciilorchimice

Rubin (1983) a identificat 6 clase diferite de reacii chimice care pot apare la transportul soluiilor:

- Nivel A = reacii suficient de rapide i reversibile sau insuficient de rapide i/sau ireversibilereacii la echilibru / neechilibru

- Nivel B = reacii omogene / heterogene (omogene au loc ntr-o singur faz, faza dizolvat;heterogene implici faza solid)

- Nivel C = numai pentru reaciile heterogene: reacii la suprafa (adsorbie, schimb de ioni) /reacii chimice clasice (precipitare, dizolvare).

Partiionarea este un proces continuu care poate ajunge la echilibru dupun timp mai scurt sau mai lung,dup care raportul concentraiei n fazele lichid i solid rmne constant. Sorbia poate fi determinatexperimental iar rezultatul reprezentat grafic C vs C*.

Atunci cnd echilibrul este atins foarte rapid comparativ cu viteza de curgere avem un proces de sorbiela echilibru. Deoarece procesul este dependent de temperatur el este descris de o izoterm de sorbie laechilibru. Este cazul reaciilor suficient de rapide, heterogene, de suprafa.

Dimpotriv, partiionarea se poate desfura foarte lent comparativ cu viteza de curgere. n acest caz eposibil snu se atingechilibrul i procesul poate fi descris prin modele cinetice(la neechilibru). Este cazulreaciilor de suprafa, heterogene. n continuare vor fi considerate numai procesele la echilibru.

Sorbia este un proces de distribuire ntre faze prin care substan e dizolvate (metale, organice toxice) sunttransferate din ap (faza lichid) ctre faza solid (roc, sol, particule de materie organic). Reprezint

principalul mecanism care afecteazmobilitatea metalelor grele i a substanelor organice toxice i de aceeaeste de mare interes atunci cnd se studiaz/evalueaztransportul contaminanilor.

Adsorpia: apare la interfaa solid-lichid (cum ar fi n cazul argilelor) i este total sau parial reversibil(desorbie). Cu toate cadsorbia nu afecteazdirect toxicitatea unei substane, aceasta se poate ntmpla ca

urmare a proceselor de transformare (hidroliza, etc.) care nsoesc adsorbia.


18/38

17

Absorbia: proces prin care o specie chimic este sorbit n interiorul fraciei solide (cazul carbonuluiactiv). Poate apare numai dupce sorbia la suprafa(adsorbia) a avut loc.

Sorbia este un proces chimic larg rspndit, studiat de diferite discipline (din diferite puncte de vedere),rezultnd o terminologie diversi adesea confuz.

- Sorbie = rezultatul multiplelor procese ce au loc ntre numeroasele specii chimice i suprafeelefazei solide; n condiii controlate de laborator se pot diferenia i studia mecanismeleindividuale de sorbie; n condiii normale, nu; distincie ntre sorbie i precipitare, la interfaalichid-solid, nu se poate face cu uurin.

- Sorbia i desorbia sunt determinate de interaciunea moleculelor, din lichid i din structuramatricii solide; astfel, proprieti fizice i chimice ale fazelor influeneazsorbia;

- Reaciile de sorbie sunt n general exoterme iar procesele de sorbie se pot clasifica n dougrupe funcie de energia implicat(dpdv energetic):

o Sorbie chimic = chemosorbie (energie ridicat); presupune formarea de legturichimice ntre molecule; ex. schimb ionic, protonation, legturi de H (tabel 3.3); acestelegturi se caracterizeazprin energii de ordinul a 10 kcal/mol;

Schimb ionic= un cation este nlocuit de altul pe o suprafa ncrcatelectric

negativ; anionii (sulfai, nitrai) pot fi dea semenea sorbii dar ntr-o msurmultmai redusdeoarece majoritatea suprafeelor minerale sunt ncrcate negativ. Protonation = ataarea unei molecule la un ion de hidrogen anterior sorbit

printr-o reacie acid-baz; Legturi de hidrogen = rezult din atragerea moleculelor polare la atomi de

hidrogen n molecule sau specii ionice deja sorbite.

o Sorbie fizic(energie redus) = presupune fore fizice i energii reduse, n general sub10 kcal/mol: van der Waals sunt fore electrostatice slabe care acioneaz ntre atomi,ioni sau molecule; legturi hidrofobe mpingerea moleculelor organice nepolare ctresuprafee solide prin molecule de ap polare pentru a atinge o structur lichid mai

stabiltermodinamic (tabel).

Tabel. Interaciuni intermoleculare implicate n procese de sorbie

Tip atracie/legtur Fore Sorbit Energie(kcal/mol)

Legturi chimice

Schimb ionic electrostatice Cationi metalici 50

Cation/acid organic

Protonare electrostatice Baze organice 35

Hidrogen electrostatice Compui organici polari 0,5-15

Fore fizice

Van der Waals electrostatice Molecule mici 1-2

Molecule mari 1+

Hidrofobe entropice Compui organici nepolari 1


19/38

Adsorbieinstantaneereversibila.Izotermaliniar

Dacnotm cuF concentraia de mas raportul adimensional ntre masa adsorbitde solut i masa de solutdin faza lichid, atunci concentraia C* de solut sorbit pe suprafaa fazei solide va fi:

FC s=* (1.31)

n care sreprezintdensitatea (masa specific) a matricii solide n stare uscat.

O izotermse definete ca o relaie ntre concentraiile de solut n faza lichid(C), respectiv solid(C*).Forma cea mai simplo prezintizoterma liniar:

(1.32)CkC d=*

cu C* - masa de solut sorbit pe unitatea de masa solidului (n stare uscat) (mg/kg)C concentraia de solut n soluie n echilibru cu masa de solut sorbit (mg/L)kd coeficient de distribuie (L/kg).

Panta izotermei - kdeste denumiti coeficient de distribuie a substanei sorbite fade mediul poros. Este oconstant de material, dependent de temperatur i trebuie determinat pentru fiecare roc i soluie.Dimensiunile suntL3M-1i uzual se exprimn ml/g.

Dacse nlocuiete ec. (1.32) n ecuaia de transport, rezult:

( )t

CkB

x

Cv

CD

t

C ddxL

=

2

2

xCv

xCDkB

tC

xLdd

=

+ 2

2

1

(1.33)

fdd rk

B=+

1 -factor de retardare (1.34)

Dacviteza liniarmedie a apei subterane este vx, viteza de deplasare a solutului va fi:

f

xc

r

vv =

Izoterma liniar presupune un proces de adsorbie instantaneu i reversibil. Deasemenea se admite c ocantitate nelimitatde substanpoate fi reinutprin sorbie.

Existdoulimitri ale modelului izotermei liniare:

a. Cantitatea de solut ce poate fi sorbitnu este limitat,b. Dac avem numai cteva puncte pe grafic, curba experimental poate fi interpretat eronat ca

dependenliniar.

18


20/38

Curs6

Izoterme neliniare: Freundlich, Langmuir

Izoterma liniarpresupune:

un proces de sorbie instantaneu i reversibil. o cantitate nelimitatde substanpoate fi reinutprin sorbie. De fapt cantitatea totalde solut este

limitat de aria suprafeei porilor: procesul de sorbie va nceta n momentul n care ntreagasuprafaeste ocupatde solut.

Figure 1.11: Izoterma Langmuir

n consecin sorbia trebuie reprezentat printr-o izoterm neliniar. O form mai general aizotermei la echilibru i una dintre cele mai utilizate este izotermaFreundlich,avnd expresia:

NCKC =* (1.35)

n careKiNsunt constantele caracteristice ale izotermei i se determinprin calibrarea izotermei calculatecu cea experimental.

Reprezentarea graficeste o curb(fig. 3.4a Fetter). Prin liniarizarea ecuaiei se obine:

CNKC loglog*log += (1.36)

care se reprezintprintr-o dreaptcu panta N i intercept logK (fig. 3.4b Fetter, 1993).

nlocuind ec. (1.35) n ecuaia de transport i rearanjnd se obine factorul de retardare pentru izotermaneliniarFreundlich rff:

19

1

1

+=N

dff

CNKBr (1.37)


21/38

Dac:

N >1 ec. de transport va conduce la un front de mprtiere dezvoltat (larg)

N < 1 front de mprtiere ascuit (ngust) (self-sharpening)

N = 1 izoterma F devine izoterma liniara.

Izoterma F a fost pe larg aplicatn cazul sorpiei n soluri a diveri compui organici i metale (sulfai,pesticide organo-fosforice, Cd, Cu, Zn, Mo, etc.).

Dei aplicat pe larg, izoterma Freundlich prezint acelai dezavantaj ca i izoterma liniar: nupresupune o limitsuperioarpentru cantitatea de solut sorbit. Izoterma F este obinutde regulprin calareempiricpe date experimentale.

Foarte convenabile din punct de vedere matematic, ambele izoterme (liniari Freundlich) sunt adecvatenumai pentru intervalul de msurare iar orice extrapolare n afara domeniului experimental trebuie fcutcu

precauie.

Izoterma Langmuir ncearc sevite acest inconvenient considernd o suprafade sorbie finit/limitat.Pleacde la ipoteza csuprafaa unui solid dispune de un numr finit de puncte de sorbie. Odatce aceastarie este umplut, procesul nu va mai continua. Izoterma Langmuir are expresia:

CC s

+=

1* ,

C

C

C+=

1

* (1.38)

unde este concentraia maxim de solut care poate fi sorbit (mg/kg), iar este constanta de adsorbie[L3M-1], n relaie cu energia de legtur(Fetter,1993).

Izoterma L poate fi exprimati prin:

C

CC+

=

1* (1.39)

care substituitn ecuaia de transport (AD) conduce la:

t

C

C

B

x

Cv

x

CD

t

C dxL

+

=

12

2

(1.40)

Difereniind i reorganiznd se obine:

( ) xC

vx

CD

C

B

t

CxL

d

=

++

2

2

211

(1.41)

Factorul de retardare pentru izoterma L este:

( )211

C

Br dfl

+

+= (1.42)

Dac sorbia unui solut pe o suprafa solid urmeaz izoterma L, reprezentarea grafic a datelorexperimentale C* - C va fi o curbcare are un maximum.

20


22/38

Dacreprezentm C/C* - C vom obine o dreaptcu 1/- panta dreptei, 1/-ordonata la origine.

Aa cum se prezintnFigura 1.11pentru cazul izotermei Langmuir, concentraia solutului ia valori ntr-un domeniu limitat iar panta curbei tinde la zero pe masura ce procesul de sorbie se apropie de faza final.Pentru a cuantifica ponderea fiecarui mecanism n procesul de transfer au fost introduse doumrimiadimensionale numerele Damkler, definite ca:

LD

kD

Lv

kD

d

d

d

=

=

2

1

(1.43)

n careLeste distana parcurs.

Primul numar compara sorbtia cu convectia: valori mai mari descriu un proces dominat de sorbtie.Al doilea numar compara sorbtia cu difuzia. Similar, o valoare mare a D2va caracteriza un proces mai putindifuziv, dominat de sorbie. De observat craportulD2/D1reprezintnumrul Peclet:

d

eD

Lv

DD

P ==1

2 (1.44)

21


23/38

Curs 7Procese cinetice (de degradare)

Vor fi prezentate pe scurt trei procese de degradare: dezintegrarea radioactiva, biodegradarea si hidroliza.Desi mecanismele implicate sunt foarte diferite, ele sunt descrise de o reactie cinetica de ordinul intai in carevariatia concentratiei este proportionala cu concentratia:

Cdt

dC= (1.45)

unde este constanta de degradare, avand dimensiune T-1.

Dezintegrarea radioactiv: Tipuri de dezintegrare radioactiv; Activitate; Viteza de dezintegrare;Perioada de njumtire

Radioactivitatea este proprietatea anumitor izotopi (atomi cu acelai numr de protoni, numr diferit deneutroni)ai unor elemente chimice, de cele mai multe ori atomi grei (masa atomica >83), precum uraniulsau plutoniul, de a se dezagrega/dezintegra spontan, n urma acestui proces rezultnd, pe lngatomi ai unorelemente chimice mai uoare i ceea ce numimparticule radioactive, adicradiaie de diverse tipuri.

Particulele radioactivesunt produse att pe cale natural, n cadrul unor procese de dezintegrare ce au locpermanent n jurul nostru (de exemplu izotopii carbon-14i potasiu-40, ntlnii n atmosfer, respectiv nbanane i pudra de cacao, sunt radioactivi), dar i pe cale artificial n urma reaciilor din reactoarelenucleare.

Energia i tipul particulelor radioactive rezultate difern funcie de tipul de reacie care are loc. Radiaiileemise sunt uneori periculoase pentru oameni din cauza nivelului ridicat de energie pe care l posed, dar, pede altparte, radioactivitatea poate fi i benefic, fiind folosit ndeosebi n medicinpentru tratarea unor

boli sau pentru diagnoz.

Descompunerea radioactiveste un proces care se desfoaraleatoriu n timp i care poate fi descris doarprin metode statistice. Dei este imposibil de prezis momentul la care un atom al unui radioizotop va suferio dezintegrare nuclear, pentru mai muli atomi ce constituie un oarecare obiect/corp se poate determinatimpul dup care jumtate din cantitatea materialului radioactiv se va descompune, numit n literatura despecialitate perioada (timp) de njumtirea acelui izotop.

Existdiverse tipuri de particule radioactive, toate putnd fi att benefice, ct i periculoase pentru om, nfuncie de nivelul sau timpul de expunere.

Exist trei tipuri de dezintegrare radioactiv: alfa, beta i gama, funcie de particula emis de nucleu n

timpul procesului.

22
http://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/222-datarea-cu-carbon-14.htmlhttp://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/222-datarea-cu-carbon-14.html


24/38

Dezintegrarea alfa

Are loc atunci cnd un nucleu greu emite un nucleu de heliu ncrcat pozitiv (particula alfa), constnd din doiprotoni i doi neutroni.Nuclidul rezultant are masa atomicreduscu 4 uniti i numrul atomic redus cu 2fade radionuclidul iniial.

Cel mai des ntlnit n naturizotop al uraniului, U-238, se descompune n urma acestui tip de dezintegrarenuclear.

Particulele alfa penetreaz cu greu majoritatea materialelor, chiar i o foaie subire de hrtie putnd opritrecerea acestora. Ca aplicabilitate practic, putem meniona c detectoarele de fum folosesc izotopulradioactiv Am-241 (americiu) ca sursde particule alfa.

Dezintegrarea beta

Dezintegrarea beta const n transformarea unui neutron ntr-un proton, reacie nsoit de emisia unuielectron i a unei particule de masextrem de mici frsarcinelectricnumitanti-neutrino. Electronul

emis poartnumele de particulbeta, iar acest tip de reacie se mai numete i descompunerea beta-minus,prin asociere cu sarcina electrica electronului emis. Izotopul de hidrogen numit tritium ( 3H) suferacest tipde dezagregare radioactiv.

Un exemplu de astfel de proces este:

Particula beta, ncrcatnegativ din punct de vedere electric, poate parcurge distane mai mari dect particulaalfa (care penetreaza cu greutate orice tip de material). Totui, n urma coliziunilor i interaciunilor cu unii

atomi i pierde i aceasta energia, una mult superioara celei a particulei alfa. Dei poate trece cu uurinprin hrtie, o folie de aluminiu constituie un obstacol de netrecut n calea unei asemenea particule.

Existi un alt tip de descompunere beta, ce a fost botezatbeta-plus. n cadrul acestui proces un proton setransform ntr-un neutron, fenomen nsoit de emisia unui pozitron (un electron cu sarcin pozitiv,

perechea de antimaterie a electronului) i a unui neutrino.Cum neutronul are masa mai mare dect cea aprotonului, acest tip de descompunere presupune introducerea de energie n sistem, pentru a se respectalegile de conservare. Ca exemplu i aplicaie practic, izotopul de mas atomic18 al fluorului, notat 18F,sufer acest al doilea tip de dezagregare beta, i anume beta-plus, fiind folosit n cadrul tomografiei cuemisie de pozitroni (PET scan).

Capturarea electronic, inclusi ea n categoria dezintegrrilor de tip beta, se referla atragerea de ctrenucleu a unui electron de pe o orbit inferioar (apropiat de nucleu). n urma capturrii electronului, un

proton este nlocuit de un neutron, iar procesul este nsoit de emisia unui neutrino. Acest tip de dezintegrareare loc atunci cnd n nucleu sunt prea muli protoni i insuficientenergie pentru emisia unui pozitron.

Din punct de vedere al siguranei, particulele beta sunt mult mai penetrante dect particulele alfa dar multmai puin dect cele gama.

Dezintegrarea gama

Implictrecerea nucleului dintr-o stare cu energie ridicatntr-una cu energie mai joas. Similar cu niveleleenergetice ale electronilor n atom, i n nucleu existastfel de nivele de energie.

23
http://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/55-detectorul-de-fum.htmlhttp://www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile/55-detectorul-de-fum.html


25/38

Atunci cnd un electron i modific starea energetic energia degajat este de ordinul a civa eVnsoitde emiterea unui foton vizibil sau ultraviolet. n nucleu, diferena de energie ntre nivele este multmai mare, de regulsute de eV astfel nct fotonul emis este o radia ie gama.

Razele gama, produsul dezintegrrii gama, sunt cele mai periculoase pentru om dintre toate radiaiiledescrise aici. Acestea sunt de fapt fotoni din afara spectrului vizibil i pot fi gsii n cadrul spectrului

electromagnetic n zona frecvenelor foarte mari, ceea ce nseamncau energii mari. Ca urmare ele suntfoarte penetrante i pot fi absorbite cel mai eficient de un strat relativ gros de material cu densitate ridicat(cum ar fi Pb). Razele gama au fost descoperite n anul 1900 de ctre Paul Villard(1860-1934), fizician ichimist francez, n timp ce studia la Paris comportamentul uraniului i radiului. Numele acestui tip deradiaie a fost dat de ctre Ernest Rutherford.

Multe elemente sunt radioactive, aceastnsemnnd csunt instabile i ceventual se vor degrada prinemiterea unei particule, transformarea nucleului n alt nucleu sau trecerea ntr-o stare energeticmai sczut.

Un ir de reacii au loc pnla atingerea unei stri de echilibru. Pe parcursul dezintegrrii radioactive seaplicprincipiul conservrii:

- conservarea energiei,- a momentului (liniar sau angular),- a sarcinii,- a numrului de nucleoizi = numrul total de neutroni i protoni este acelai nainte i dup

dezintegrare.

Perioada de njumtire (T)

Reprezint timpul necesar pentru ca jumtate din numrul de atomi dintr-o prob s se dezintegreze.Exprim rata/viteza de dezintegrare a unui nuclid. Ia valori de la cteva nanosecunde (10-9 s) pn la

milioane de ani. Exemple:

U238:4.47*109yearsTh234:24.1 daysHe4:StablePa234:6.7 hoursC11:20.3 minutesB11:stableU235m:26 minutesU235:7.04*108 yearsFm256:2.62 hoursXe140:13.6 seconds

Pd112:21 hoursPo212:299 nanosecondsSe 82:1.3*1020years

Dacavem radionuclizi n sistemul acvifer, aceia care sunt cationi vor fi retarda i prin adsorbie pe suprafaamatricii solide. n plus ei vor fi afectai de dezintegrarea radioactiv care va reduce concentraia deradionuclizi att n faza dizolvatct i n cea sorbit.

Concentraia trasorului n cazul dezintegrrii radioactive se obine prin integrarea ecuatiei (1.45):

teCC = 0 (1.46)

unde C0este concentratia initiala a radionuclizilor.

24


26/38

Constanta de dezintegrarese obine din ecuaia (1.46):

2/1T=

2ln (1.47)

ieste o msura ratei/vitezei cu care nuclidul elibereazemisii radioactive.

Biodegradarea consta in descompunerea compusilor organici in substante anorganice mai simple.Astfel, biodegradarea reprezint calea/modul natural de a recicla deeurile sau de a descompune materiaorganic n substane/nutrieni care pot fi folosii de alte organisme. Aceastdegradare este realizatde omultitudine de organisme (bacterii, fungi, insecte, viermi) care consummaterial rezidual i l recicleaznnoi forme. n natur nu exist deeuri pentru c totul este/poate fi reciclat. Produsele reziduale de la unorganism devin sursde hran(nutrieni i energie) pentru altele.

In aceste procese sunt implicate intotdeauna bacterii cu rol catalizator. Biotransformarea este descrisa informa cea mai simpla prin ecuatia Monodcare are aceeasi forma cu (1.45):

Cdt

dC= (1.48)

unde C este concentratia susbstantelor organice iar este acum constanta debiodegradarelegata de timpulde injumatatire biologic prin aceeasi ecuatie (1.47).

Biodegradarea anaerobn gropile de gunoi

Gropile de gunoi sunt lucrri inginereti proiectate pentru stocarea de deeuri industriale idomestice. Substanele solide depozitate sunt dizolvate de ctre apele din precipitaii i se amestec cudeeurile lichide formnd un poluant lichid numit generic leachate (levigat). Acesta are o concentraie foarteridicat TDS = 5000-40000 mg/l, poate conine metale (Fe, Cu, Mn, Zn, Hg), nitrai i amoniac precum i

peste 40 specii de compui organici.

Procesele de biodegradare descompun multe din substanele organice n compui anorganici mai simpli.Deeurile biodegradabile din gropile de gunoi se degradeazn absena oxigenului n cadrul proceselor

de digestie anaerob rezultnd ca produse de reacie biogazul, lignin i fibre celulozice care nu pot fidescompuse de ctre microorganismele anaerobe.

Gropile de gunoi ecologice sunt proiectate astfel nct sprevininfiltrarea de fluide toxice n subteran.Hrtia i alte materiale care n mod normal se degradeazn civa ani n condiiile din depozitul de gunoi sevor degrada mult mai lent. Biogazul conine metan care are un potenial de aproximativ 21 ori mai maredect CO2 n ceea ce privete nclzirea global. n gropile de gunoi moderne acest biogaz este colectat ifolosit n scopuri energetice.

Metode de msurare a biodegradrii

Biodegradarea se poate msura/cuantifica n multe variante:- activitatea microorganismelor aerobe se msoar prin cantitatea de oxigen consumat sau de

dioxid de carbon produs;- pentru microorganismele anaerobe se determincantitatea de metan produs.

Degradarea moleculelor organice dizolvate n apeste o problemde mare interes pentru hidrogeologi.

Cea mai mare parte a contaminrii apelor subterane se datoreazcompuilor organici, dintre care o categoriespeciala o reprezinta hidrocarburile.

25


27/38

Hidroliza

Reacia ionilor srurilor dizolvate cu solventul (apa), n urma crora se formeaz acizi slab disociai, bazeslab disociate sau sruri acide sau bazice se numete hidroliz.

Acest fenomen nu are n vedere totalitatea proceselor de solvatare, ci numai cele insotite demodificri de pH, deoarece soluia astfel obinutare un caracter acid sau bazic.

n reacia dintre un acid AH i o bazBOH:

[ ] OHBAhidroliz

reneutralizaBOHAH 2+++

+

sensul spre dreapta este neutralizare, spre stnga este hidroliz.

Compusii rezultati contin gruparea hidroxil si devin mult mai solubili. Concentratia substantelor organice

scade in concordanta cu aceeasi ecuatie (1.36), unde reprezinta acum constanta de hidroliza.

Constanta de hidroliz:

- sare provenitdin reacia unui acid tare cu o bazslab:b

w

KK=

- sare provenitdin reacia unui acid slab cu o baztare:a

w

K

K=

- sare provenitdin reacia unui acid slab cu o bazslab:ba

w

KK

K

=

undeKa constanta de aciditate a acidului slab, Kb constanta de bazicitate a bazei slabe, Kw produsulionic al apei.

Srurile provenite din acid tare i baztare (NaCl, KCl, Na2SO4) nu hidrolizeaz.

Conform relatiei (1.48) toate aceste procese modifica ecuatia de transfer prin introducerea unui noutermen - C. In final avem:

( ) Ct

CRCvCgradDdiv lh += (1.49)

26


28/38

27

Curs8

Soluii analitice ale ecuaiei de advecie-dispersie

Ecuaiile AD pot fi rezolvate prin metode numerice sau analitice.

Metodele analitice presupun rezolvarea ecuaiilor cu derivate pariale prin calcul pe baza valorilorcondiiilor iniiale i la limit. Sunt limitate la geometrii simple ale sistemului i n general presupuncacviferul este/sfie omogen. Prezintavantajul cpot fi rezolvate cu un calculator i un tabel alfunciilor eroare.

Metodele numerice presupun rezolvarea ecuaiilor cu derivate pariale prin metode de analiznumeric. Sunt mult mai puternice dect metodele analitice deoarece:

o

pot analiza sisteme cu orice geometrie,o pot aborda i heterogeneitile acviferului.

Totui, pot apare alte inconveniente cum ar fi erorile numerice care conduc la solu ii ce supraevalueazmprtierea unui front/pene de contaminant. Acestea nu sunt legate de dispersia trasorului ci de procesul demodelare.

Condiiiiniialeilalimit

Pentru a obine o soluie unica unei ecuaii difereniale este necesar s specificm condiiile iniiale i lalimit(pe contur).

a. Condiii iniiale = descriu valorile variabilei studiate (concentraia n cazul acesta), la un momentiniial t=0;

b. Condiii la limit = caracterizeaz interaciunea dintre zona studiat i zona adiacent (mediulextern). i n cazul transportului masic exist3 tipuri de condiii de contur:

i. Concentraie constantii. Gradient constant

iii. Flux variabil

Pentru curgere 1-D condiiile se referla o locaie x i la un moment de timp t:

C(x,t) = C(t) - funcie cunoscut

De exemplu putem scrie:C(0,t) = C0, t0C(x,0)= 0, x0C(,t)=0, t0

De asemenea se poate scrie o condiie iniialn interiorul domeniului de forma:

C(x,0) = Ci, x0

Alte exemple de condiie la limittip concentraie constant:


29/38

a. Degradarea exponeniala sursei,C(0,t) = C0 exp(-it) i constanta de degradare

b. Surspulsatorie cu concentraii constante dar diferite.C(0,t) = C0 0 < t t0

C(0,t) = 0 t > t0

Limitele cu gradient constant (impus)sunt exprimate ca:

)(0

tfdx

dC

x

==

sau )(tfdx

dC

x

==

unde f(t) este o funcie de formcunoscut. O condiie uzualeste dC/dx =0 (limitfrgradient).

Condiia la limitcu flux variabilse exprimprin:

)(tCvCvx

CD xx =+

unde C(t) este o funcie de form cunoscut. Un exemplu uzual este flux constant cu o sursconstant/continude concentraie:

0

0

vCvCdx

dCD

x

=

+

=

In tratarea ecuatiei de transport

( ) Ct

CRCvCgradDdiv lh += (1.39)

se observa ca atat termenul convectiv Cvl cat si coeficientul de dispersie hidrodinamica depind de debitulspecific U. Inainte de rezolvare, ecuatia de transfer trebuie construita prin determinarea vitezelor Darcy.Cu alte cuvinte ecuatia de dispersie se rezolva in doi pasi: primul pas considera solutia ecuatiei de curgere

care este suprafata de potential (x,y,z,t), cu:

zg

p+=

(1.40)

Din legea lui Darcy:

KgradU = (1.41)

se determina campul vitezelor U si apoi termenii convectiv si dispersiv din ecuatia (1.39).

28


30/38

Al doilea pas va fi rezolvarea ecuatiei de transport. Ca pentru orice ecuatie diferentiala, solutia ecuatiei detransport trebuie sa satisfaca conditii initialesi lalimite. Daca aceste conditii sunt satisfacute problema estebine pusasi solutia ecuatiei de transport este unica pentru conditiile initiale si la limita date.

Sa consideram un domeniu D al acviferului, delimitat de suprafata B, limita domeniului de curgere.Conditiile initiale exprima faptul ca, la un moment de timp initial t0, distributia concentratiei trebuiecunoscuta in fiecare punct (x,y,z)al domeniuluiD.

Astfel avem:

29

( ) ( )zyxftzyxC ,,,,, 0 = , (x,y,z)D (1.42)

undef(x,y,z)este o functie cunoscuta.

Conditiile la limitareprezinta expresia matematica a conexiunilor acviferului cu mediul extern. In forma ceamai generala conditiile la limita trebuie sa exprime continuitatea componentei normale a fluxului de masa

prin suprafata B. Conform lui Bear (1979) sa consideram mai intai o suprafata B la interiorul acviferului,care separa domeniul in doua regiuni asi b.

Continuitatea componentelor normale ale fluxului masic prin suprafataB are forma:( ) ( )

bhahngradCDCUngradCDCU = .. (x,y,z)B (1.43)

unde n este vectorul normalei exterioare, normal la suprafataB.

Sa presupunem ca regiunea b este un lac sau un rau. Contributia solutului descarcat din acvifer poate fineglijata in bilantul de masa al apelor de suprafata. In consecinta, concentratia C0 din regiunea b ramaneneschimbata. Deasemenea, este necesara continuitatea debitului specific prin suprafataBsi vom avea:

banUnU = (x,y,z)B (1.44)

Ecuatia (1.43) devine:

( ) nUCngradCCUa = 0 (1.45)

Aceasta este conditia Cauchy-Fourier si defineste o conditie la limita de tipul 3. Trebuie specificat caaceasta ecuatie poate exprima nu numai descarcarea dar si realimentarea acviferului prin limita specificata.De exemplu, termenul C0Udin membrul drept al ecuatiei (1.45) poate fi fluxul de masa eliberat de oricesursa distribuita (depozit, tanc septic, fabrica etc.). Atunci cand aeste o limita impermeabila avem:

0= nU (1.46)

Cu (1.46) ecuatia (1.45) se reduce la conditia la limita de tipul 2 Neumann, care presupune un gradient

cunoscut de-a lungul limitei si are forma:

0= ngradCD for (x,y,z)B (1.47)

In final sa presupunem o concentratie identica de o parte si de alta a limitei. Este cazul conditiei la limita detipul 1 -Dirichlet:

( ) ( tzyxftzyxC ,,,,,, 2= ) for (x,y,z)B (1.48)

in care f2este o functie cunoscuta.


31/38

30

Curs9

TESTECUTRASORI

Trasori:definiie,tipuri,etc.; Tehnicidetrasaj

Curbaderestituie:interpretareprimar.

Trasori = o substan, natural sau artificial, cu proprieti fizico-chimice cunoscute, introdus nsistemul acvifer astfel nct spoatfi urmriti identificatn spaiu (ntr-o altlocaie, foraj, izvor. Oastfel de substantrebuie sndeplineascurmtoarele cerine:

sfie absentsau prezentn concentraii reduse n sistemul acvifer, spoatfi analizatcantitativ cu precizie ridicat,

snu prezinte risc pentru om, animale sau plante, sfie solubiln apsau saibbune proprieti dispersive, s fie rezistent la atac chimic, fizic sau biologic (stabilitate fa de reacii de oxidare,

reducere, nebiodegradabila, rezistenla lumini temperatur), s nu interacioneze cu mediul de curgere (nu prezint proprieti de sorbie sau schimb

ionic), economic din punct de vedere al cumprrii, utilizrii i analizrii.

Nu existnici un trasor ideal, care s ndeplineasc toate aceste condiii. De exemplu, uranina: nu poate fiutilizatn apele de suprafadatoritsensibilitii la lumin. n plus prezintproprieti de sorbie n medii

acide. Fiecare trasor prezintavantaje i dezavantaje.Trasor ideal

- reflecta cel mai bine comportarea apei n mediul subteran;- nici un trasor nu este ideal; fiecare are o anume specificitate fade ap;- trasorii anionici sunt conservativi dar nu ideali (excluzie anionic).

Principale categorii de trasori:

Trasori naturali: Denumirea nu este ntrutotul corect. Substane de origine antropiccare n modneintenionat au ajuns n subteran intrdeasemenea n aceastcategorie. Totui, cel mai important

grup l reprezint constituienii chimici naturali ai apei precum i coninutul izotopic: izotopistabili/radioactivi, compui chimici ai apei subterane, parametri fizico-chimici. Trasori de mediu:radionuclizi (teste nucleare, accidente), poluani specifici (pesticide, nitrai, etc.);

produse care sunt prezente n mediu ca urmare/n legturcu activiti umane; distribuia i evoluiaspaiali temporalpermit evaluarea unor proprieti ale apei subterane (origine, vrst, amestecuri,). Trasori artificiali

Trasori naturali

Orice substan/compus/produs care se gsete n mod natural n mediu, a crui distribuie sau evoluiespaiali temporalpermit evaluarea anumitor proprieti ale apei subterane (origine, vrst, amestec, ).


32/38

Tipuri:

- izotopi stabili (18O/16O, 2H/1H, 13C/12C, 34S/32S, 15N/14N)originea meteorica apei, amestec, raport izotopic R = abundenta izotop greu/abundenta izotop usor

coninut izotopic 10001

=

S

E

R

R (ppm sau )

RS etalon de referinpentru izotopi stabili (BNS, USA)

- izotopi instabili (radioactivi) 3H, 14C, 36Cl datarea apei (vrst), amestec, o tritium izotop radioactiv al hidrogenului (2 neutroni); produs n mod natural prin reac ia

dintre azotul atmosferic (14N) i neutroni cosmici:14N + n12C + 3H

dezintegrarea radioactiv: 3H3He + -, T1/2= 12.3 ani,

unitate de msur: 3H/1H = 10-18= 1 UT

- compui chimici naturali i parametri fizico-chimici ai apei (elemente chimice, temperatura,conductivitate electric, fluorescennatural, turbiditate, )o ape cu origine diferit (suprafa, subteran, ) pot avea compoziii i/sau caracteristici

fizico-chimice diferite funcie de surs i de drumul parcurs n cadrul bazinuluihidrologic/hidrogeologic;

o dacastfel de ape se amestec, compoziia rezultantva depinde de compoziia i de fluxulfiecrei componente;

o dac apar modificri la nivelul fiecrei componente, atunci acestea se vor reflecta i ncompoziia amestecului;

o observaii asupra variaiilor parametrilor apei permit identificarea tipurilor de ape iproporiilor de amestec.

Trasori naturali - denumirea nu este ntrutotul corect. Substane de origine antropic care n modneintenionat au ajuns n subteran intrdeasemenea n aceastcategorie. Totui, cel mai important grup lreprezintconstituienii chimici naturali ai apei precum i coninutul izotopic.

Trasori artificiali

Def.: Orice substan/produs cu proprieti fizice i compoziie chimic cunoscut, voluntarintrodus n apa subteran, n cantiti cunoscute i pe scurt durat, cu scopul de a evideniacaracteristici/proprieti ale apei subterane sau ale mediului (direcii de curgere, proprietihidrodispersive, reactivitatea mediului, )

Principiu: injectarea trasorului ntr-un punct (foraj, ponor, ); urmrirea evoluiei prin eantionare

(probare) n alte puncte (foraje, izvoare, ) n timp. Criterii de selecie:

o proprieti fizico-chimice (limitde detecie analitic, toxicitate, gust, culoare)o condiii experimentale (zgomotul de fond al trasorului n apa subteran, stabilitate chimicn

mediul respectiv, distana de trasaj, obiectivele testului)o condiionri de ordin practic (echipamente disponibile, manevrabilitate, solubilitate, costul

produsului, cantitate necesarpentru test). Categorii:

o Trasori salini (anioni, cationi),o Trasori fluoresceni,o Ali trasori (microsfere, bacteriofagi, ADN, spori, trasori radioactivi).

Dozajul trasorilor salini Dozajul trasorilor fluoresceni: spectrofluorometrie

31


33/38

32

Nu existnici un trasor ideal, care s ndeplineasc toate aceste condiii. De exemplu, uranina: nu poate fiutilizatn apele de suprafadatoritsensibilitii la lumin. n plus prezintproprieti de sorbie n mediiacide. Fiecare trasor prezintavantaje i dezavantaje.

Testele cu trasori pot fi realizate n doumoduri:

- trasorii sunt introdui n sistemul acvifer studiat; este cazul trasorilor artificiali,- constituieni naturali sau proprieti ale sistemului sunt urmrite i determinate pentru a caracteriza

sistemul acvifer; n acest caz vorbim de trasori naturali.

Condiii de injectare a trasorilor

- mare influenasupra curbei de restituie (interaciunile foraj-acvifer, mai mult dect durata testului;- erori poteniale: identificare eronat a proceselor de transport (pseudo-efect de ap imobil);

cuantificare imprecis a parametrilor hidrodispersivi (supraestimare a porozitii eficace i adispersivitii longitudinale).

Tehnici de trasaj

Tipuri de testeo Teste calitative

Evidenierea legturilor hidraulice/comunicaiilor ntre dou sau mai multe punctedin subteran;

Direcii de curgere n subteran; Viteze i timpi de transfer.

o Teste cantitative

Identificarea proceselor de curgere-transport, Cuantificarea parametrilor asociai acestor procese, Identificarea heterogeneitii mediului subteran.

Tehnici:o Metoda forajului unic/singularo Trasaj n regim de curgere naturalo Trasaj cu gradient forat curgere radial convergento Trasaj cu gradient forat curgere radial divergento Trasaj n configuraie dipol

Interpretarea testelor de trasaj (cu trasori)o Curba de restituie grafic + interpretare generalo Identificarea proceselor hidrodispersive

CR reflect distribuia timpilor de sejur a trasorului n acvifer; influenat de toateprocesele de curgere i transport; este o imagine indirect a mediului subteran ntrepunctul de injecie i punctul/punctele de observaie; informaia este nregistratprogresiv n CR pe parcursul migraiei trasorului.

Figura !o Factori susceptibili de a influena CR: ec. + figura !

Influena porozitii efective / dispersivitate longitudinal.


34/38

Atunci cnd folosim trasori artificiali este important sobinem curba concentraie timp (curba derestituie). n evaluarea testului cu trasori sunt importante urmtoarele valori de timp (fig. 1):

t0 timp de injecie (momentul la care ncepe testul),

t1 timpul corespunztor primei detectri a trasorului; detectarea trasorului va depinde desenzitivitatea analitic, de aceea nu coincide cu prima apariie; avnd n vedere ccreterea deconcentraie are loc rapid la nceputul testului, t1 poate fi de regulextrapolat; fizic, t1 este timpulnecesar particulei care a parcurs drumul cel mai scurt; permite calculul vitezei cea mai rapid;

t2 timpul pentru concentraia maxim(Cmax); n general uor de identificat, cteodattrebuieinterpolat; este independent de metoda analitici de senzitivitatea ei; sunt cazuri cnd apar maimulte concentraii maxime datoritmodificrii conductivitii hidraulice sau existenei unor ci

prefereniale de curgere separate;

t3 half-life time, reprezintmomentul cnd jumtate din cantitatea de trasor a fost recuperatnpunctul de probare; eventuale modificri n volumul curgerii trebuie luate n considerare;

t4 timpul ultimei apariii, deasemenea dependent de senzitivitatea analitic; n multe cazuri trasorulpoate reapare n punctele de observaie dupprecipitaii puternice.

Tabel sintetic:

timp concentraie vitezde curgere

t0 - -

t1 Cd (limita de detecie) va1(viteza cea mai rapid)

t2 Cmax (concentraia maxim) Vadom (viteza dominant)

t3 C Va (viteza median)

t4 Cd (limita de detecie) -

Fig. 1 Curba de restitutie

33


35/38

34

Aplicaii / Domenii de aplicabilitate

Tehnicile de trasaj se folosesc pentru marea majoritate a corpurilor de ap, pentru a rspunde la urmtoarelentrebri:

ncotro ?

Este necesar sstabilim direcia de curgere a apei subterane. Pentru aceasta vor fi analizate toate puncteleunde este posibil sreapartrasorul. Un singur trasor este suficient.

Ex.: posibile consecine ale unei deversri, aviz de construcie.

De unde ?

Stabilirea zonelor de alimentare pentru un anume corp de ap. Pentru aceasta cteva locaii vor fi simultaninjectate cu diferii trasori sau acelai trasor va fi folosit n cteva teste succesive. Prima varianteste de

preferat deoarece are loc n condiii hidrometeorologice similare i necesittimp i costuri mai mici.

Ex.: determinarea zonelor de protecie sanitare, stabilirea zonei de alimentare pentru un izvor.

Dac?

Este necesar de stabilit legtura hidrologicntre doupuncte: apa din punctul A curge sau poate curge ctrepunctul B. Este suficientfolosirea unui trasor, un punct de injecie i unul de observaie.

Ex.: de a susine legal cpercolarea unui poluant pe proprietatea A afecteazproprietatea B, determinarea

bank filtrrii.

Cum ?

Rezultatele unui test cu trasori pot contribui la stabilirea curgerii subterane, nu numai n termeni de direciei vitez, dar i n determinarea ulterioar a parametrilor hidraulici (dispersie, porozitate, conductivitatehidraulicetc.). Adesea sunt necesare clarificri privind petrografia, chimismul i coninutul izotopic.

Ex.: investigarea apei subterane la nivelul porilori fisurilor.

Ct de mult ?

Determinri cantitative ale curgerii, de suprafa sau subterane, necesit o mare stabilitate a trasorilor peparcursul testului. n majoritatea cazurilor, trasorii artificiali sau naturali permit o determinare exact avolumului curgerii.

Ex.: determinarea debitului unui izvor sau curs de suprafa, ct de repede atinge punctul de izvorre apa

provenitdin topirea gheii, msurtori de exfiltrare prin corpul unui baraj.

n cazul testelor cu trasori (de trasaj) avem un system cu 4 componente: acviferul, forajul, apa i trasorul.Fiecare component are proprieti specific:

Acviferul = extindere lateral(orizontal) infinit, omogen, izotrop, sub presiune, rigid; grosimea itransmisivitatea acviferului sunt constante. Forajul = perfect dup gradul de deschidere; amestec ok astfel nct concentraia trasorului este

uniformn interiorul coloanei. Apa = considerat omogen i incompresibil; curgerea apei subterane este guvernat de legea

Darcy; n regim natural suprafaa piezometriceste staionar.


36/38

Trasorul = nu afecteaz proprietile fizice ale apei (densitate, vscozitate); inert chimic iconservativ; naintea testului concentraia n apa subteraneste nulsau suficient de mici uniformn cadrul acviferului.

Din proprietile acviferului i ale forajului rezult: curgerea apei subterane este orizontal; concentraiatrasorului este constantpe orice verticaln cadrul acviferului. Astfel, formularea analiticeste 2D.

Etape n evoluia testului (trasorului)

Etapa 1. La momentul t=0 se injecteazinstantaneu n foraj cantitatea M de trasor. Acesta se va deplasa prinadvecie i va fi amestecat cu apa subteranprin dispersie hidrodinamic. Difuzia molecular, dependentdetimp va fi consideratneglijabilpe durata testului. Astfel, trasorul introdus n foraj se va transforma ntr-unnor sau pan situat n aval. La sfritul acestei faze centrul de mas al norului de trasor se afl la odistanconsiderabil mare comparativ cu raza forajului (fig. 2).

Fig. 2 Dispersia trasorului la sfritul etapei 1

Etapa 2. ncepnd cu momentul t = t1> 0, forajul este pompat cu debitul Q. Ca urmare, n acviferul rigid,sub presiune apare o curgere radial-convergent n vecintatea forajului i un punct de stagnare ladistana L aval de foraj (fig. 3). La nceperea pomprii presupunem cnorul de trasor se afla n amontede punctul de stagnare. De aceea el este afectat de advec ie i dispersie n curgerea convergent i

eventual va fi antrenat n foraj. Astfel, norul de trasor = distribuie spaiala concentraiei trasorului, estetransformat ntr-o distribuie temporal a concentraiei de trasor n apa pompat Cw(t). Pompareacontinuiar Cw(t) este monitorizat pnla recuperarea practic totala masei injectate M, adicpncndconcentraia trasorului tinde la 0.

35


37/38

Fig. 3 Localizarea trasorului nainte de nceperea pomprii

Modelul matematic

Modelul matematic pentru acest sistem se bazeazpe urmtoarele ecuaii, 2D n plan orizontal (Bear, 1972):- Legea Darcy

- Ecuaia de curgere- Ecuaia de advecie-dispersie

Condiii privind curgerea apei subterane Condiiile la limitpentru foraj (r=r0) Condiii iniiale.

Condiii privind concentraia trasorului Condiiile la limit:

o la limita acviferului (r distanradialfade axa forajului)o n foraj,

Condiii iniialeo la injectarea instantanee a trasorului n forajo la nceperea pomprii.

Strategia de rezolvare

Interpretarea testului presupune rezolvarea a douproblem teoretice:

a. simularea rezultatelor presupunnd cunoscui toi parametrii (experimentali i ai acviferului problema direct;

b. evaluarea parametrilor pe baza datelor (rezultatelor) testului problema invers;

36


38/38

37

rea parametrilor de advecie i dispersie care guverneazprocesele de transport. Vitezamedie de curgere a apei subterane poate fi dedusmai direct din distribuia spaiala norului de trasor ntr-

Interpretarea / Evaluarea curbelor de restituie

Permite determina

un anumit punct.

a. Determinarea ve(v

a)

- pe baza timpului corespunztor concentraiei maxime nregistrat n punctul de probare + distanantre punctul de injecie i cel de probare;

- timpul corespunztor vitezei efective + distana de curgere cunoscutapare duptrecerea maximuluide concentraie i nu poate fi extras/obinut direct din CR;

mare dect timpul corespunztorCmax iar diferena poate fi neglijat;

- pentru CR largi-aplatizate aceasteroare nu mai poate fi neglijat.

orespunde timpului de nregistrare a Cmax;

ste o caracteristic decisiv a unei astfel de poluri). Totui, n

- De regultimpul ce corespunde exact vitezei efective reale este ntre timpul pentru Cmax i timpul

corespunztor vitezei medii.

- pentru CR nguste/ascuite/nete acest timp este nesemnificativ mai

Din CR se pot deduce mai multe viteze de curgere:

- viteza maxim= prima apariie a trasorului;- viteza dominant= c- vitezmedie = corespunde momentului la care 50% din masa de trasor a trecut, a fost recuperat n

punctul de probare;- experimental s-a constatat c: ultimele 3 viteze sunt f. apropiate cu ct CR este mai ascuiti mai

deprtate dacCR este larg-plat.- viteza maximeste definitcel mai eronat: este legatdirect de prima apariie a trasorului + limita de

detecie analitic. Dacne referim la transportul germenilor patogeni, importana acestei viteze esteevident (prima apariie edeterminarea parametrilor de advecie-dispersie, timpul primei apariii i viteza maxima asociatnuau semnificaie/importan.

b. determinarea dispersivitilorPrin metoda de suprapunere/potrivire a CR msurate (experimentale) cu cea calculat ar trebui s se

etermine cel puin coeficientul de dispersie longitudinal.d

poluarea si protectia apelor subterane

Documents