FELSZÍNI VÍZBŐL SZÁRMAZÓ SZÉNHIDROGÉN-SZENNYEZÉS TERJEDÉSÉNEK BECSLÉSE PEDOTRANSZFER FÜGGVÉNYEKKEL

Átírás

1 Műszaki Földtudományi Közlemények, 83. kötet, 1. szám (2012), pp FELSZÍNI VÍZBŐL SZÁRMAZÓ SZÉNHIDROGÉN-SZENNYEZÉS TERJEDÉSÉNEK BECSLÉSE PEDOTRANSZFER FÜGGVÉNYEKKEL THE ESTIMATE OF THE SPREAD OF HYDROCARBON POLLUTION FROM SURFACE WATER WITH PEDOTRANSFER FUNCTIONS ELEK BARBARA 1 MAKÓ ANDRÁS Absztrakt: Kutatásomban a felszíni vízből a felszín alatti közegbe került vagy potenciálisan bejutó szénhidrogén szennyezés terjedését leíró úgynevezett hagyományos becslési eljárások (Leverett- és Kozeny Carman-féle) pontosságát vizsgáltam. Folyadékvisszatartóés folyadékvezető-képesség, valamint légáteresztő-képesség mérési eredmények alapján új, pontosabb becslési eljárást dolgoztam ki. Kulcsszavak: szénhidrogén szennyezés terjedés, pedotranszfer függvény. Abstract: In my research I examined the accuracy of the so-called conventional estimation method (Leverett and Kozeny Carman) calculating the spread of the potential and already present hydrocarbon pollution in the subsurface medium from surface water. I developed a new, more accurate estimation method based on the fluid retention and conductivity, air conductivity measurements. Keywords: spread of hydrocarbon pollution, pedotransfer function. 1. Bevezetés Napjainkban egyre nagyobb szerepet kap a korlátozott mennyiségben rendelkezésre álló felszíni és felszín alatti vizek minőségének védelme. A vízminőség megőrzésének egyik fontos lépése a szennyezőanyagok elleni védelem, illetve a már bekövetkezett környezetkárosítás esetén a minőség javítását célzó kármentesítés. A vizeket szennyező anyagok között kiemelkedő szerepet töltenek be a hétköznapi élet szinte minden területén megjelenő szénhidrogének, valamint szénhidrogén-származékok. Ezek a szennyezőanyagok bekerülhetnek szennyezett felszíni víztestből vagy egyéb forrásból a földtani közegbe, illetve a felszín alatti vízbe. Kutatásaim elsődlegesen a felszíni víz és a felszín alatti víz között közvetítő szerepet betöltő talajra, illetve benne vízben oldott vagy önálló fázisban áramló szénhidrogén-szennyezés terjedésének vizsgálatára irányultak. Vizsgáltam a szénhidrogén-szennyezés mozgását leíró terjedési modellekben alkalmazott Leverett-féle [1] [2] és Kozeny Carman-féle [3] [4] becslő egyenletek pontosságát. A vizsgálati eredményeim alapján új, 1 Környezetgazdálkodási Intézet, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék H-3515 Miskolc-Egyetemváros Elek.Barbara@ybl.szie.hu

2 24 Elek Barbara Makó András pontosabb becslési eljárást dolgoztam ki a környezeti kockázatbecslés részére, továbbá a műszaki beavatkozás tervezéséhez. 2. Folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség, valamint légáteresztő-képesség mérések A vizsgálatok során egymástól fizikai féleségükben, humusztartalmukban, agyagásvány-összetételükben és/vagy sótartalmukban eltérő talajminták (1. táblázat) folyadékvisszatartó- és vezetőképességét, valamint légáteresztő képességét mértük. A méréseket eredeti és mesterséges szerkezetű mintákon végeztük. A Salföldön gyűjtött, nagy tisztaságú pannóniai kvarchomok [5] a talajok homokfrakció, a paksi löszfal,,dunaújváros Tápiósülyi lösz (1,5 8 m) összletéből [6] származó lösz a talajok porfrakcióját képviselte. A sorozat kiegészült továbbá háromféle ásványi őrlemény mintával (bentonit, illit és kaolinit) is. Az ásványi őrlemények az agyagásvány-szerkezet szélsőséges típusait képviselték. A vízvisszatartó és hidraulikus vezetőképesség mérés desztillált vízzel (2. táblázat), a szerves folyadékvisszatartó- és vezetőképesség-mérés DUNASOL 180/220 fantázia nevű szerves folyadékkal (3. táblázat) történt. A folyadékvisszatartó- és vezetőképesség, valamint légáteresztő-képesség vizsgálatokba vont talajminták jellemzése 1. a) táblázat Minta jele A talajminta származási helye A mintázott talajszint jele és mélysége Térfogattömeg (g/cm 3 ) Homok % (>0,05 mm) Iszap % (0,002 0,05 mm) Agyag % (<0,002 mm) 1. Zalakomár II ,71 82,3 14,8 2,9 1, III ,68 79,9 16,1 4,0 0, IV. 63 1,60 76,9 15,9 7,3 0, V ,63 73,8 16,6 9,6 0,82 0, Heresznye A ,66 38,1 53,5 8,3 1, B ,60 31,7 54,4 13,9 0, C ,63 26,0 59,3 14,7 0, C ,63 42,1 48,1 9,8 0, A ,15 73,5 21,4 5,1 5,66 11,0 10. Zalakaros I. B ,34 62,5 25,4 12,1 4,52 14,0 11. B ,38 63,9 24,1 12,0 1,21 1,7 Humusz % CACO 3 %

3 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése A ,74 78,2 13,7 8,1 0, Zalakaros II. B ,75 65,1 20,2 14,7 0, BC ,62 61,6 24,9 13,5 0, C ,40 35,0 47,3 17,7 0, A ,70 67,1 28,6 4,3 1, Vízvár I. B ,74 59,8 30,9 9,3 0, B ,65 51,3 37,2 11,5 0, BC ,73 58,7 24,3 17,0 0, A ,60 72,0 24,5 3,5 1, Vízvár II. B ,67 51,1 37,7 11,2 0, BC ,60 48,8 35,7 15,5 0, Százhalombatta A ,39 32,2 38,7 29,1 2,40 3,7 23. Nagyrécse B ,51 20,5 60,5 19,0 1, Karcag B ,44 11,1 54,7 34,2 2,05 0,1 25. Kisújszállás A ,50 3,9 46,7 49,4 3, A ,73 62,7 14,1 23,2 1, B ,66 55,1 19,3 25,7 0, Keszthely B ,52 51,5 19,2 29,3 0, BC ,51 57,6 16,9 25,6 0, C ,6 27,7 15,7 0, C ,3 25,3 15,4 0,31 25 A folyadékvisszatartó- és vezetőképesség, valamint légáteresztő-képesség vizsgálatokba vont talajminták jellemzése 1. b) táblázat Minta jele A talajminta származási helye A mintázott talajszint jele és mélysége Térfogattömeg (g/cm 3 ) Homok % (>0,05 mm) Iszap % (0,002 0,05 mm) Agyag % (<0,002 mm) 30. A ,40 20,4 63,3 16,3 3, Lovasberény B ,27 22,0 57,9 20,1 1, BC ,18 26,0 56,7 17,9 1, C ,6 55,9 15,5 0, A ,59 13,2 66,1 20,8 1, Magyarszombatfa B ,60 7,8 61,3 30,9 0, B ,61 8,7 61,2 30,5 0, C ,57 10,7 57,3 32,1 0,36 0 Humusz % CACO 3 %

4 26 Elek Barbara Makó András 45. A ,7 10,9 8,4 0, H ,4 12,2 8,4 0, Székesfehérvár H ,3 43,6 24,1 0, H ,8 7,8 5,4 0, H ,4 8,3 5,3 0, Mád bentonit 0,6 31,7 67,7 0,00 0,9 38. Salföld kvarchomok 96,2 2,1 1,7 0,01 0,3 39. Füzérradvány illit 4,8 39,2 56,0 0,00 0,7 40. Zettlitz kaolin 0,8 44,7 54,5 0,00 1,1 41. Paks lösz 32,8 54,3 12,9 0,13 27 A desztillált víz tulajdonságai 2. táblázat DESZTILLÁLT VÍZ Relatív molekulatömeg 18,01 Sűrűség 20 ºC-on, g/cm 3 0,9970 Forráspont ºC 100,0 Standard párolgáshő, KJ/mol 40,7 Telített gőznyomás 20 ºC-on, torr 17,54 Móltérfogat cm 3 /mol 18,07 Felületigény A 2 /molekula 11,130 Határfelületi feszültség (folyadék/levegő) (20 C) 75 (mncm 1 ) A molekula térfogata A 3 /molekula 19,714 A víz és szerves folyadékvisszatartó-képesség meghatározására a Soilmoisture Equipment Corporation által gyártott LAB 23 jelű porózus kerámialapos pf-mérő berendezés szerves folyadékokkal történő mérések céljára átalakított változatát használtam [7]. A csökkenő folyadéknyomás módszerével mértem a talajok hidraulikus és szerves folyadékvezető-képességét [8]. A légáteresztő-képesség mérésére a PL-300 típusú berendezést alkalmaztam, melyet az UGT (Umwelt-Geräte-Technik GmbH München) fejlesztett ki. Ez a készülék mind terepen, mind pedig a laboratóriumban képes mérni a talajok légáteresztőképességét, a tenzióját és térfogatszázalékos nedvességtartalmát is.

5 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése 27 A DUNASOL 180/220 tulajdonságai 3. táblázat DUNASOL 180/220 Forráspont 179/217 Sűrűség (20 C) (g m 3 ) 0,775 Viszkozitás (20 C) (g cm 3 ) 1,91 Aromás alkotók (mm 1 %) 0 Cikloalkánok (%) 60,1 Cikloalkánok (%) 1gyűrű 2gyűrű 3gyűrű 4gyűrű 25,1 12,0 2,1 0,5 25 Határfelületi feszültség (folyadék/levegő) (20 C) (N cm 1 ) Határfelületi feszültség (olaj/víz) (20 C) (N cm 1 ) 45,9 3. Mérési eredmények és új becslési eljárások Összehasonlítva a szennyeződésterjedés modellezésében alkalmazott Leverett-féle egyenlet alapján becsülhető nyomás szerves folyadéktartalom görbéket (1. ábra) a mért nyomás szerves folyadéktartalom-görbékkel, megállapítható, hogy a Leverett-féle egyenlet kisebb-nagyobb mértékben alulbecsli a talajminták által visszatartott szerves folyadéktartalmat. A mért és a becsült szerves folyadéktartalmak közötti eltérés sok esetben a nagyobb humusztartalmú és szerkezetes (aggregálódott) talajoknál nagyobb, mint a kisebb humusztartalmú és szerkezet nélküli talajokban. Feltételezhető, hogy a görbék közötti eltérések oka az, hogy a Leverett-féle egyenlet érvényességi tartománya az ideális porózus rendszer. A vizsgált talajok azonban nem tekinthetők ilyen rendszereknek (humusz és/vagy agyagkolloidok nagy mennyisége stb.). Ez alapján a mért és becsült szerves folyadék-visszatartási értékek különbségével jellemezhető a víz fázisszilárd fázis és a szerves folyadék fázisszilárd fázis kölcsönhatások különbözősége. A Leverett-féle egyenlet alapján történő becslésnél megbízhatóbb becslési eljárást keresve, lineáris regresszió analízis módszerét alkalmazva, annak eredményei (pedotranszfer függvények) alapján elmondható, hogy a talajok térfogattömege, humusztartalma, mésztartalma és a mechanikai összetétele (százalékos homok-, por-, agyagtartalom) szoros regreszsziós kapcsolatot mutat az egyes nyomásértékeken a talajok által visszatartott szerves folyadéktartalommal. A regresszió analízisbe a humusz- és mésztartalom, térfogattömeg mellett a talajok fizikai féleségét és aggregáltságát jól jellemző átlagos geometriai átmérők (GMD (mech) és a GMD (aggr) ) értékekeit is bevonva (4. táblázat), megfigyelhető, hogy a mechanikai összetétel (GMD (mech) ) minden nyomáson meghatározó.

6 28 Elek Barbara Makó András A desztillált vízzel mért, szerves folyadékkal mért és becsült nyomásfolyadéktartalom görbék összehasonlítása (1. jelű minta) 50,00 45,00 40,00 folyadéktartalom (tf%) 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 nyomás (bar) A desztillált vízzel m ért, szerves folyadékkal m ért és becsült nyom ásfo lya d ék tarta lo m g ö rb é k ö s sz eh a so n lítá sa (1 0. je lű m in ta ) 50,00 45,00 40,00 folyadéktartalom (tf%) 35,00 30,00 25,00 20,00 1. ábra. 15,00 Talajminták mért és becsült nyomás folyadéktartalom görbéje 10,00 5,00 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 nyomás (bar) Jelmagyarázat: víztartalom tf% mért szerves folyadéktartalom tf% becsült szerves folyadéktartalom tf%

7 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése táblázat A minták szerves folyadék-visszatartását becslő pedotranszfer függvények Y = szerves folyadék-visszatartás (g/100 g talaj) R 2 N x 1 =GMD (mech) ; x 2 =GMD (aggr) ; x 3 =humusz% x 4 = CaCO 3 %; x 5 =térfogattömeg Telített (0 bar) 0,002 bar 0,02 bar 0,05 bar 0,15 bar 0,4 bar 1 bar y = 35,523 x 1 15,381 x 2 + 1,216 x ,264 b 0 = 1,54, b 1 = 3,19, b 2 = 2,30, b 3 = 0,29 y = 32,502 x 1 8,514 x 2 + 0,512 x 4 9,334 x ,692 b 0 = 5,58, b 1 = 8,60, b 2 = 3,14, b 4 = 0,07, b 5 = 5,30 y = 53,213 x 1 19,970 x 2 + 2,402 x 3 +49,466 b 0 = 2,77, b 1 = 5,73, b 2 = 4,13, b 3 = 0,53 y = 106,919 x 1 32,453 x 2 + 0,515 x ,653 b 0 = 3,23, b 1 = 11,3, b 2 = 6,90, b 4 = 0,17 y = 43,597 x 1 4,626 x 2 + 0,741 x 4 50,684 x ,190 b 0 = 12,23, b 1 = 19,08, b 2 = 1,33, b 4 = 0,26, b 5 = 9,02 y = 62,608 x 1 + 8,406 x 2 1,685 x 3 0,556 x ,602 b 0 =, b 1 = 3,19, b 2 = 2,30, b 3 = 0,29 y = 57,213 x 1 + 5,432 x 2 1,914 x 3 + 0,525 x ,495 b 0 = 2,19, b 1 = 6,98, b 2 = 2,43, b 3 = 0,61, b 4 = 0,12 0, , , , , , , A humusz- és mésztartalom, a GMD (aggr) és a térfogattömeg a különböző nyomásokon eltérő mértékben határozza meg a szerves folyadék-visszatartást. A hőmérséklet 20 o C-ról 60 o C-ra növelésével a 0,15 és 1,5 bar közötti nyomásokon egyértelműen csökken a talajminták folyadék-visszatartása. A 0 0,05 bar közötti nyomástartományban azonban a hőmérséklet növelésével egyes minták szerves folyadékvisszatartása kismértékben csökkent, más mintáké megnőtt (2. ábra). Lineáris regreszszióanalízis eredményeit tekintve elmondható, hogy 20, 40 és 60 o C-on a nyomás 0 bar-ról 0,05 bar-ra növekedésével erősödött, a 0,15 és 1,5 bar közötti nyomástartományban a nyo-

8 30 Elek Barbara Makó András más növekedésével csökkent a talajtulajdonságok visszatartott szerves folyadéktartalmat meghatározó szerepe. A talajtulajdonságok közül a térfogattömeg, a por- és mésztartalom befolyásolta leginkább a szerves folyadék-visszatartást. 1,6 1,4 41. jelû minta (60 C) 41. jelû minta (40 C) Nyomás (bar) 1,2 1,0 0,8 41. jelû minta (20 C) 37. jelû minta (60 C) 37. jelû minta (40 C) 37. jelû minta (20 C) 40. jelû minta (60 C) 0,6 40. jelû minta (40 C) 0,4 0,2 40. jelû minta (20 C) 38. jelû minta (60 C) 38. jelû minta (40 C) jelû minta (20 C) Szerves folyadékvisszatartás (tf%) 2. ábra. A különböző, szabályozott nyomásokon és hőmérsékleten mért nyomás szerves folyadéktartalom-görbék 3. ábra. A Leverett-féle módszerrel becsült értékek a mért térfogatszázalékos szerves folyadéktartalom függvényében

9 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése 31 A 3. és 4. ábra mutatja, hogy a pedotranszfer függvényekkel meghatározott szerves folyadék-visszatartás értékek jobban közelítik (R 2 = 0,93) a talajmintákon mért értékeket, mint a Leverett-féle becslési módszerrel meghatározottak. 4. ábra. A talajtulajdonságokból becsült térfogatszázalékos szerves folyadék-visszatartás a mért értékek függvényében A hidraulikus vezetés és a szerves folyadékvezetés mérési eredményei azt mutatták, hogy az eredeti szerkezetű talajminták általában legalább egy nagyságrenddel jobban vezetik a vizsgálatba vont szerves folyadékot, mint a vizet. A mesterséges talajminták hidraulikus és szerves folyadékvezető-képessége között lényegesen kisebb volt az eltérés, mint az eredeti szerkezetű talajmintáknál. Ennek oka feltételezhetően az eredeti szerkezetű talajmintákban lévő nagyobb mennyiségű, a szerves folyadékkal történt telítés hatására be nem duzzadó, el nem iszapolódó makropórus. A 5. és 6. ábrán jól látható, hogy a szénhidrogén-szennyezés mozgását leíró terjedési modellekben (úgynevezett transzportmodellekben) széleskörűen használt Kozeny Carman-egyenlet az eredeti szerkezetű és mesterséges talajok szerves folyadékvezetőképességét általában egy-két nagyságrenddel alulbecsli. Új, pontosabb becslési módszer után kutatva, a lineáris regresszió analízissel végzett statisztikai elemzések feltárták (5. táblázat), hogy a mechanikai összetétel ismeretén túl a talajok összporozitásának ismerete minden esetben döntő a folyadékvezetés becslése szempontjából. A talajok kémiai tulajdonságai közül a humusztartalom, illetve a mésztartalom mutatott szoros kapcsolatot a talajok folyadékvezető-képességével. A szerves folyadékvezető-képessége szoros kapcsolatban áll a talaj légáteresztő-képességével is.

10 32 Elek Barbara Makó András -4 Folyadékvezetõ-képesség [lg(m/s)] egyenlet alapján becsült szerves folyadékvezetõ-képesség mért szerves folyadékvezetõ-képesség -10 mért hidraulikus vezetõképesség Minta jele 5. ábra. Eredeti szerkezetű minták folyadékvezető-képessége -5,0 Folyadékvezetõ-képesség [lg(m/s)] -5,5-6,0-6,5-7,0 4. egyenlet alapján becsült szerves folyadékvezetõ-képesség mért szerves folyadékvezetõ-képesség -7, Minta jele mért hidraulikus vezetõképesség 6. ábra. Mesterséges minták folyadékvezető-képessége

11 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése 33 A szerves folyadékvezető-képességet becslő pedotranszfer függvény 5. táblázat Y: szerves folyadékvezető képesség [m/s] x 1 : K l (légáteresztő képesség) [m/s]; x 2 : P össz. Összporozitás [%]; x 3 : agyag [%]; x 4 : homok [%] y = x 1 x. 2 EXP( x x 4 ) b 1 = 0,013, b 2 = 0,141, b 3 = 0,002, b 4 = 0,002 R 2 N 0, A lineáris regresszióval végzett becslés eredményei jobban közelítik (R 2 = 0,92) a mért szerves folyadékvezető-képességek értékeket (8. ábra), mint a Kozeny Carman-egyenlettel becsült értékek (7. ábra). A Kozeny Carman-egyenlettel becsült értékek és a mért szerves folyadékvezető-képesség értékek között gyakorlatilag nem tapasztalható szignifikáns (R 2 = 0,09) összefüggés. 7. ábra. A mért és a Kozeny Carman-egyenlettel becsült szerves folyadékvezetés

12 34 Elek Barbara Makó András 4. Összefoglalás 8. ábra. A mért és lineáris regresszióval becsült szerves folyadékvezetés A szénhidrogén-terjedés modellezésénél alkalmazott hagyományos becslési módszerekhez képest a pedotranszfer függvények bevonása megbízhatóbbá teszi a szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség becslését. A pedotranszfer függvények lehetőséget kínálnak a gyakorlati szakemberek részére, hogy a szennyezés terjedését leíró modelleket javítsák és ezáltal növeljék a modellezés hatékonyságát. A szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség pedotranszfer függvényekkel történő leírása által a szennyezés környezeti kockázata pontosabban megadható. A már bekövetkezett szénhidrogén-szennyezések esetében megbízhatóbban lehatárolható a szennyezett térrész, kiválasztható a megfelelő kármentesítési mód. A potenciális szennyezéseknél jobban előre jelezhető a szennyezés megkötődésének mértéke, lehetséges mozgásának sebessége és iránya. A vizsgált szerves modellfolyadékkal (DUNASOL 180/220) végzett kísérletek alapján megalkotott pedotranszfer függvények érvényessége a további kutatások során kiterjeszthető más, a modellfolyadéktól eltérő apoláris, hidrofób szerves folyadékokra is. Köszönetnyilvánítás,,A tanulmány/kutatómunka a TÁMOP B 10/2/KONV jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

13 Felszíni vízből származó szénhidrogén-szennyezés terjedésének becslése 35 IRODALOMJEGYZÉK [1] Leverett, M. C.: Capillary behavior in porous solids. Published in Petroleum Transactions, AIME, Vol. 142, 1941, p. [2] Amyx, J. W. Bass, D. M. Whitting, R. L.: Petroleum reservoir engineering. Physical propertis. New York, 1960, McGraw-Hill Book Company, 610 p. [3] Kozeny, J.: Über kapillare Leitung des Wassers im Boden. Wiener Akademie Wissenschaft, , 271 p. [4] Carman, P. C.: Flow of gases through porous media. New York, 1956, Academic Press. [5] Jantsky B. (ed.): Ásványtelepeink földtana. Nyersanyaglelőhelyeink. Budapest, 1966, Műszaki Könyvkiadó. [6] Pécsi M.: Rövid összefoglaló értékelés a paksi löszfeltárások újabb kutatási eredményeiről. Földrajzi Közlemények, 1979, p. [7] Klute, A. és Dirksen, C.: Hydraulic conductivity and diffusivity: laboratory methods. In Klute, A. (ed): Methods of Soil Analysis. Part 1, Physical and Mineralogical Methods. 2nd. Edition. Madison, Wisconsin, 1986, American Society of Agronomy, p. [8] Buzás I. (szerk.): A talajfizikai, vízgazdálkodási és ásványtani vizsgálata. Talaj- és agrokémia vizsgálati módszerkönyv 1. Budapest, 1993, INDA Kiadó.

14