8. WYKORZYSTANIE WIELKOŚREDNICOWEJ STUDNI BADAWCZEJ DO
9.2. Badania migracji jonów bromkowych jako znacznika sztucznego
Podobnie jak siarczany, również jony bromkowe uznawane są za substancje konserwatywne migrujące jednocześnie z wodą. W odróżnieniu od jonów siarczanowych na badanym terenie ich zawartości naturalne nie są podwyższone na skutek działalności człowieka. Zdecydowano się więc na iniekcyjne wprowadzenie ich do systemu i użycie jako idealnego znacznika sztucznego.
Metody znaczników sztucznych polegają na iniekcji i detekcji znacznika do środowiska wodnego. W hydrogeologii jako znaczniki sztuczne najczęściej stosuje się radioizotopy (82Br, 131J,
114
In-EDTA, 3H), barwniki fluorescencyjne (uranina, eozyna), a także związki chemiczne (Cl-, SO42-).Wykorzystywane są do wyznaczenia kierunku i prędkości przepływającej wody wraz z zanieczyszczeniami w systemach wodonośnych. Mogą być również wykorzystywane do
wyznaczania wielkości dyspersji zanieczyszczeń, parametru niezbędnego w matematycznych modelach dyspersyjnych opisujących migrację (Ptak, Teutsch, 1992). Znaczniki sztuczne mogą symulować zanieczyszczenia i przy ich pomocy można określać parametry migracji zarówno zanieczyszczeń konserwatywnych (współczynnik opóźnienia R=1), jak i takich, które są absorbowane przez grunty (R>1) (Nettem, Behrens, 1992). Znaczniki sztuczne wprowadzane do systemu wodnego powinny być dla niego bezpieczne, nie posiadać zapachu, być stabilne chemicznie i termicznie. Badania z użyciem znaczników sztucznych, jak np. bromki są obecnie często stosowane w ocenie ryzyka skażenia wód podziemnych (Clothier i in, 2005)
Wskaźniki chemiczne stosuje się do badań migracji zanieczyszczeń w utworach przepuszczalnych i półprzepuszczalnych, o ile nie występowały tam wcześniej lub były w niewielkich stężeniach. Najpełniejsze informacje uzyskuje się stosując krótkotrwałe wtłaczanie roztworu do otworu centralnego ze stałym wydatkiem (Q) i pomiarze koncentracji znacznika w otworach obserwacyjnych. Wyniki pomiarów wykorzystuje się do konstrukcji tzw. „krzywych przejścia” znacznika w funkcji czasu (Kleczkowski i in., 1984).
Jony bromkowe jako znacznik sztuczny wykorzystano do badania migracji zanieczyszczeń konserwatywnych przez utwory półprzepuszczalne strefy aeracji GZWP 450. Jony bromkowe iniekowane zostały do systemu 23.11.2000 roku w bezpośrednim otoczeniu szybika A1. Obszar ten objęty jest monitoringiem przesiąkających wód infiltrujących z powierzchni wykorzystującym system zainstalowanych lizymetrów (rys. 19). Obszar iniekcji wraz z położeniem i numerami lizymetrów monitorujących skład wód infiltracyjnych pokazany został schematycznie na rys. 25. Iniekcje przeprowadzono poprzez deszczowanie roztworem o znanym stężeniu jonów Br-.
Rys. 25. Obszar iniekcji jonów bromkowych na tle systemu monitoringującego skład wód strefy aeracji.
Po iniekcji jonów bromkowych do systemu wodnego dokonywano systematycznego opróbowania profilu z wykorzystaniem istniejących próbników wody porowej (lizymetrów) zainstalowanych w szybiku badawczym A1. Szczegółowy opis budowy, wyposażenia oraz sposobu
opróbowania przedstawiony został w rozdziale 5. Pobór przesiąkających wód z lizymetrów odbywał się w odstępach około 1 - 4 miesięcznych (zał. 8). Ogółem wykonano 116 oznaczeń stężeń jonów bromkowych w poszczególnych lizymetrach pracujących na różnych głębokościach. Analizy fizykochemiczne roztworów porowych wykonywano w Laboratorium Zakładu Hydrogeologii i Ochrony Wód Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie na spektrometrze emisyjnym ICP-MS.
Do zebranych danych dopasowano krzywe programem CXTFIT (Parker, van Genuchten, 1984; Duda, Witczak, 1987). Program ma możliwość dopasowania zarówno modeli deterministycznych, jak i stochastycznych dla typowych warunków początkowych i brzegowych obliczeń, sprecyzowanych przez Krefta i Zubera (1978).
Podstawowym celem stosowania programu CXTFIT jest interpretacja wyników badań laboratoryjnych (eksperymentów kolumnowych przeprowadzanych metodą dynamiczną) oraz badań polowych migracji zanieczyszczeń w wodach podziemnych z uwzględnieniem zjawisk: dyspersji hydrodynamicznej, sorpcji oraz rozpadu (degradacji) masy migrującej substancji (Duda, Witczak, 1987). Stosuje się go do uzyskiwania teoretycznych rozkładów stężeń wskaźnika zanieczyszczenia w warunkach, w których migrację można sprowadzić do jednoosiowej (jednowymiarowej) wzdłuż określonego kierunku przepływu wód podziemnych. Realizacja zadania polega na dopasowaniu parametrów migracji do danych eksperymentalnych przy wykorzystaniu regresji nieliniowej metodą najmniejszych kwadratów. Interpretacja wykonywana jest zgodnie z ośmioma teoretycznymi modelami transportu (tab. 9) w warunkach ruchu jednoosiowego.
8umer
modelu Typ modelu
Sposób pomiaru
substancji Parametry modelu 1 Deterministyczny z liniową
izoterma sorpcji Resident V, D, R, t0, µ, γ
2 j.w. Flux j.w.
3 Dwudzielny, nieliniowy,
„two site/two region” Resident V, D, R, t0, β, ω
4 j.w. Flux j.w.
5 Stochastyczny z liniową izotermą sorpcji i ustalonym czasem iniekcji t0
Resident <v>, ε, R, t0, µ, γ, δln
6 j.w. Flux j.w.
7 Stochastyczny z liniową izotermą sorpcji i ustaloną masą substancji M0
Resident <v>, ε, R, M0/θ, µ, γ, δln
8 j.w. Flux j.w.
Tab. 9. Charakterystyka modeli realizowanych przez program CXTFiT (wg Parkera i van Genuchtena, 1984)
Podstawowymi modelami teoretycznymi są modele 1 i 2, opisane przez analityczne równanie migracji konwekcyjno-dyspersyjnej, uwzględniające sorpcję zgodnie z izotermą liniową, reakcje chemiczne wymiany jonowej zgodnie z kinetyką zerowego rzędu oraz rozpad zgodny z kinetyką pierwszego rzędu.
Modele 3 i 4 są przydatne do oceny parametrów migracji w warunkach, kiedy kinetyka (szybkość) procesu sorpcji lub wymiany dyfuzyjnej w tzw. modelu heterogeniczno-blokowym ośrodka wodonośnego powoduje, że proces migracji ma charakter nieliniowy.
Modele 5 do 8 są modelami stochastycznymi czyli opartymi na założeniu, że opisywane procesy mają charakter losowy, a więc przebiegają z określonym prawdopodobieństwem. Nadają się szczególnie do interpretacji badań polowych, o ile rzeczywista migracja wskaźnika zanieczyszczenia w terenie da się sprowadzić do ruchu jednoosiowego. Modele te uwzględniają efekt zmienności przestrzennej prędkości przepływu wód podziemnych. Zmienność ta wynika z makroniejednorodności rzeczywistego ośrodka wodonośnego (Duda, Witczak, 1987).
Modele deterministyczne (od 1 do 4) dopasowują 6 parametrów migracji, natomiast modele stochastyczne (od 5 do 8) dopasowują 7 parametrów (tab. 9). Zaznaczyć należy, że nie wszystkie parametry mogą być dopasowane równocześnie, a także, że niektóre parametry nie mogą być identyfikowane przez program, a ich wartość musi być zadana jako stała. Zestawienie wszystkich parametrów identyfikowanych przez program CXTFiT pokazano w tabeli 10.
Parametry identyfikowane w modelach 1-8
8azwa parametru Symbol wg CXTFiT Symbol wg oznaczeń polskich (Kleczkowski, Różkowski [red], 1997) Jednostka
V U cm/d średnia rzeczywista prędkość przepływu
w przestrzeni porowej
D DL* cm2/d współczynnik dyspersji podłużnej
R R bezwym. współczynnik opóźnienia
t0 tp d czas iniekcji znacznika
µ kr 1/d współczynnik kinetyki rozpadu zerowego rzędu
γ mg/dm3/d stała kinetyki pierwszego rzędu
(+ produkcja, - rozpad)
β bezwym. bezwymiarowy parametr modeli 3 i 4
ω bezwym. j.w.
<v> cm/d średnia rzeczywista prędkość przepływu dla modeli stochastycznych 5 – 8
ε αL cm stała dyspersji podłużnej
δln
odchylenie standardowe w lognormalnym rozkładzie <v> w modelach stochastycznych 5 - 8
M0 g masa zainiekowanego znacznika
w czasie t0
θ na bezwym. współczynnik porowatości aktywnej
θm, θim nf, np bezwym.
porowatość kanałów (faza mobilna) i bloków (faza immobilna) w modelach 3 i 4 z podwójną porowatością Tab. 10. Zestawienie parametrów identyfikowanych przez program CXTFiT (modele 1 – 8)
(wg Parkera i van Genuchtena, 1984)
Uzyskane w trakcie badań stężenia jonów bromkowych posłużyły dopasowaniu parametrów migracji do danych eksperymentalnych. Obliczenia zostały wykonane w oparciu
o pierwszy model z tabeli 7 tzn. deterministyczny z liniową izotermą sorpcji przy pomiarze stężenia substancji wprowadzonej na wejściu wg „resident”. Opisuje on migrację składnika wprowadzonego na wejściu stężeniem C0 przez czas tp (czas iniekcji). Po czasie tp stężenie na wejściu spada do zera. Stężenie składnika Cr jest mierzone jako średnie w określonym przekroju w fazie ciekłej wypełniającej pory gruntu tzw. resident wg Krefta i Zubera (1978). Uśrednienie stężenia następuje w objętości fazy ciekłej.
W celu obliczenia parametrów migracji jonów bromkowych do programu CXTFiT wprowadzono stężenie iniekcji C0 = 6000 mg/dm3, a opóźnienie migracji przyjęto jako R = 1 (znacznik idealny). Wartość tła hydrogeochemicznego Br- przyjęto dla obliczeń jako Ci = 0. Wartosci stężeń jonów bromkowych z poszczególnych pomiarów w lizymetrach wprowadzono jako wartości bez korekty.
Do zebranych danych z badań lizymetrycznych dopasowano krzywe programem CXTFiT (Parker, van Genuchten, 1984) modelując przepływ jednoosiowy deterministyczny z liniową izotermą sorpcji (model 1) (rys. 26).
Uzyskane parametry migracji jonów bromkowych przez lessowe utwory półprzepuszczalne dla dopasowanych programem CXTFIT krzywych przedstawiono w tab. 11 oraz na rys. 26. głębokość cm ppt U średnia prędkość rzeczywista DL* współczynnik dyspersji podłużnej αL stała dyspersji podłużnej cm/d m/rok cm2/d cm Lizymetr 5 125 0.20 0.73 2.4 12.0 Lizymetr 4 213 0.24 0.88 1.9 7.9 Lizymetr 3 308 0.19 0.69 2.5 13.2 Lizymetr 3a 403 0.19 0.69 1.3 6.8
Tab. 11. Zestawienie parametrów migracji jonów bromkowych poprzez lessową strefę aeracji szybika badawczego A1 (CXTFIT, model 1)
Prędkość rzeczywista przesączania się wód porowych U oszacowana na podstawie analiz sztucznego znacznika w postaci jonów bromkowych oscyluje w granicach 0.7 – 0.9 m/rok. Średnia wartość prędkości pionowej infiltracji wód z powierzchni wynosi U = 0.75 m/rok.
Uzyskana wartość rzeczywistej prędkości migracji dla lessów z Ruszczy k. Nowej Huty na podstawie znacznika sztucznego w postaci jonów bromkowych jest niższa, niż uzyskana z badań znacznikowych wykonanych w ramach niniejszej pracy z wykorzystaniem trytu oraz izotopów stabilnych. Zastawienie wszystkich uzyskanych wartości wraz z interpretacją przedstawiono w rozdziale 9.4.
Rys. 26. Badania migracji sztucznego znacznika (jony bromkowe) z wykorzystaniem programu CXTFiT