A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) HIDRODINAMIKAI ÉS TRANSZPORT MODELLEZÉS SZEREPE A PERMEABILIS REAKTÍV GÁTAK MODELLEZÉSÉBEN Szántó Judit 1, Zákányi Balázs 2 doktorandusz 1, egyetemi tanársegéd 2 1,2 Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, 3515 Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, hgjudit@uni-miskolc.hu Abstract The aim of this study is to show, how the hidrodinamic and the transport modelling can contribute to the planning of the permeable reactive barriers dimensions (PRB). With the help of the modelling can be assigned the hydraulic capture efficiency at full and partial barriers whilst with this method at drains can be determined the capture width and the effective length of the drain. Finally through the chemical experiments, the modell was calibrated. 1. Bevezetés A Miskolci Egyetem három intézményének (Kémiai Intézet, Előkészítéstechnikai Intézeti Tanszék, valamint a Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék) együttes részvételével valósult meg az Innocsekk Plusz pályázat, melynek célja egy olyan új generációs reaktív fal kifejlesztése (Permeable Reactive Barrier PRB), amely: újszerű töltet anyaga miatt rendkívül gazdaságosan alakítható ki és üzemeltethető; természetes alapanyagú töltetet tartalmaz. Kazettás kiképzése miatt a töltetei cserélhetők; a teljes életciklus minden fázisát figyelembe véve tervezett, azaz a töltet kimerülése után visszanyerhető és energetikai célra hasznosítható; ugyanakkor megfelel a kármentesítéssel szemben támasztott szakmai és jogi követelményeknek. [1]. A multidiszciplináris kutatócsoport által négy fejlesztési modul valósult meg: töltet fejlesztés kémiai kompatibilitás; a reaktív gát környezetbe illesztése hidrodinamikai kompatibilitás; műszaki kialakítás és az újrahasznosítás, ártalmatlanítás. 2. Környezetbe illesztés - hidrodinamikai modell a befogási hányados meghatározásához A hidrodinamikai modell felépítésére és vizsgálatára a Processing MODFLOW for Windows (PMWIN Pro) modellező programcsomagot használtuk. A részecskék 319
Szántó Judit, Zákányi Balázs mozgásának követése PMPATH modell segítségével történt a talajvíz PRB-n történő átáramlásának és a fal hidraulikus befogási képességére vonatkozóan. A hidrodinamikai modellben egy átlagos szennyezett területet került kialakításra. A modellezett térrész hosszúsága 100 m-t ér el, míg a szélessége 70 m. Számításinkhoz a területet 2 2 méteres rácshálóval fedtük le. A modell mélysége 20 m, amelyet 4 rétegre osztottunk, abból a megfontolásból, hogy egy teljes gátat (20 m mély) és egy nem teljes gátat (10 m mély a felszíntől) szimulálhassunk. A hidraulikus gradiens értéke I=0,002 volt, a közeg porozitását 0,2-re, míg a horizontális szivárgási tényező értékei k h =10-3 - 10-6 m/s között változtak. A vertikális k tényező értékek a horizontális 1/10-e volt minden esetben. A gátak szélességei: 0,5 m-esre, 1 m-esre, és 1,5 m-re választottuk. A PRB-k k tényezői k PRB = 5 10-3 m/s-10-6 m/s között változott, fél nagyságrendes osztással. a. b. 1. ábra. a) 20 m mély, 1,5 m széles teljes gát esetének modellje ahol a közeg szivárgási tényezője k h = 10-4 m/s, (k PRB =10-5 m/s) b) 10 m mély, 0,5 m széles nem teljes gát modellje (k PRB =10-6 m/s), közeg szivárgási tényezője k h = 10-4 m/s. Az eredmények kiértékelést a PMPATH program segítségével végeztük el, ami egy áramvonal követő program. A gát szélességének megfelelő cellamennyiségben (15 db-ban) részecske lett elindítva a reaktív gát felé. A teljes gátnál a 3. rétegben indítottuk el ezeket, míg a nem teljes gátnál mind a 4 rétegben 15-15 db-ot. Így a kiválasztott vízrészecskék útját határoztuk meg és rajzoltattuk ki [2]. Vizsgáltuk, hogy ezekből a részecskékből hány százalék halad át a gáton (η), vagyis a befogási hatásfokot kaptuk meg a PRB-re vonatkozóan. A befogási hatékonyság 100%-ossága azt mutatja, hogy a 30 m széles gáton a talajvíz 30 m szélességben áramlik át. Ha a hidraulikus befogás értéke kisebb, mint 100%, azt 320
Hidrodinamikai és transzport modellezés szerepe a permeabilis reaktív gátak modellezésében jelentheti, hogy a talajvíz elterelődik a gát körüli zónában, és tisztítás nélkül halad tovább a részecske [3]. A PRB mellett elhaladó részecskék számát osztottuk a teljes részecskék számával és így adódtak a befogási hatásfok értékei. Jól látszik az elvégzett vizsgálatok alapján, hogy minden, a közeg szivárgási tényezőjétől fél nagyságrenddel kisebb szivárgási tényezőjű gát még 100%-os befogási hatékonysággal rendelkezik a 0,5 m-es és 1 m-es gát esetében. A vizsgálataink során azt tapasztaltuk, hogy a 1,5 m-es gátaknál már a közeg szivárgási tényezőjétől fél nagyságrenddel kisebb k PRB értékekénél sem figyelhető meg az áramvonalak 100%-os gáton történő áthaladása [4]. A nem teljes gát esetében mind a négy rétegben indítottuk el részecskéket a gát teljes szélességében, azonban a befogási hatásfok meghatározásához a 1-2. rétegben elindítottakat vettük figyelembe, azaz 30 db-ot. A négy rétegben elindított részecskékre azért volt szükség, mert itt azok a gátat nem csak mellette, hanem alatta is kikerülhetik. A PRB mellett elhaladó részecskék számát osztottuk a teljes részecskék számával és így kapott befogási hatásfok értékeit. A 0,5 m-esé 1 m-es gátnál hasonló eredmények adódtak, mint az ugyan ilyen teljes gátnál, vagyis a közeg szivárgási tényezőjétől, fél nagyságrenddel kisebb szivárgási tényezőjű gát még 100%-os hatékonysággal működik. Az előző két esethez képest, a 1,5 m-es gátnál már a közeg szivárgási tényezőjétől fél nagyságrenddel kisebb k PRB értékeknél nem figyelhető meg az áramvonalak 100%- os gáton áthaladása [5]. 3. Befogási tartomány szélességének és a drén hasznos hosszának meghatározása A hidrodinamikai modell alapadatai megegyeznek a gátnál leírt paraméterekkel. A kettő közötti különbséget az adja, hogy a gát esetében az áramlási irányra merőleges volt a műtárgy, míg a drének esetében azzal párhuzamos. Azokat az eseteket vizsgáltuk, amelyeknél a gátak szivárgási tényezője nagyobb volt, mint a közeg szivárgási tényezője. A PRB-k k tényezői k PRB = 5 10-3 m/s - 5 10-6 m/s között változott, fél nagyságrendes osztással. Az előzőek leírtak alapján 2 (drén szélessége) 16 ( szivárgási tényezők kombinációja miatt) = 32 db modellt állítottunk elő. Az eredmények kiértékelést a PMPATH program segítségével végeztük el. A PMPATH alkalmazásához diszkrét vízrészecskéket kell kiválasztani (definiálni), ennek meghatározásához a dréntől 36 m-re 22 m szélességben (14 db) részecskéket indítottunk el a reaktív drén felé. A 3. rétegben indítottuk el a részecskéket, így a 2. 321
Szántó Judit, Zákányi Balázs a. és b. ábrának megfelelően a kiválasztott vízrészecskék útját határoztuk meg és rajzoltattuk ki. a. b. 2. ábra a) A 0,5 m széles teljes drén modellje (k PRB =5 10-5 m/s, a k h = 10-4 m/s, b) A 0,5 m széles drén modellje (k PRB =10-4 m/s, k h =10-6 m/s. A drén esetében a részecskéket a 3. modellezet rétegben indítottuk el a dréntől 36 m-re 22 m szélességében mindegyik cellából egyet, azaz 14 db-ot. Vizsgáltuk, hogy különböző szivárgási tényező mellett mekkora szélességről tudják magukhoz vonzani a 0.5-1 m szélességű drének a részecskéket. A modellek alapján ezeknek a távolsága 2-18 m között kell, hogy legyen a különböző szivárgási tényező arányában. Erre azért volt szükségünk, hogy optimalizálni lehessen a drének közötti távolságot, hogy a megfelelő tisztítás végbemenjen. Megvizsgáltuk, hogy a különböző szivárgási tényezők mellett mekkora a 0.5-1 m szélességű dréneknek az a hasznos hossza, melyen minden részecske áthalad. Ezekre az adatokra azért van szükség, hogy megfelelően lehessen méretezni a dréneket, hogy biztosan elegendő időt töltsön a részecske a drénben, ahhoz, hogy a kémiai reakciók lejátszódhassanak 4. Kémiai kísérletek alapján kalibrált transzport modell A kémiai kísérletek eredményeit felhasználva a transzportmodellezést kalibráltuk. Ezt úgy sikerült elérni, hogy Processing MODFLOW for Windows (PMWIN Pro) programmal elkészítettük egy hidrodinamikai modellt, mely megfelel a kémiai méréseknek. Ezt követően az MT3DMS transzportmodellező modul segítségével megpróbáltuk szimulálni a szorpciós kísérletek eredményeit, majd a modellt addig pontosítottuk (porozitás, Langmuire konstans, diszperzitás, advekció stb.) míg vissza nem kaptuk a szorpciós eredményeket, ezzel mintegy kalibrálva azt. Célunk ezzel az volt, hogy a kifejlesztendő töltetanyagokban lejátszódó reaktív transzport folyamat vizsgálataihoz minden tényezővel rendelkezünk, ami egy pontos hidrodinamikai- és transzport modellhez szükséges. 322
Hidrodinamikai és transzport modellezés szerepe a permeabilis reaktív gátak modellezésében A kémiai vizsgálatokat egy kb. 15 cm hosszú 1 cm belső átmérőjű üvegcsőben végzik. Ebbe töltik be a homok- lignit keverékeket, amelyek keverési aránya 10% lignit, 90% homok. A hidrodinamikai modellben, 15 cm x 1 cm x 1 cm-es négyzet alapú hasábot építettünk fel. A 15 cm hosszú rácsot 60 részre osztottuk fel és nyomásalatti rendszerként kezeltük a problémát, melyben állandó nyomásszint van (2 cm). A modellben változó nyomású- és potenciálú cellákat alkalmaztunk, az egyedüli kivétel a jobb oldali legutolsó cella, ahol állandó nyomású- és potenciálút használtunk. A kémia kísérleteknél az 5 mmol/l koncentrációjú szennyező anyagot egy perisztaltikus pumpa nyomja át a mintán, melynek sebessége 0,1 cm 3 /min. Ezt átszámítottuk a modellezéshez, 144 cm 3 /d-ra adódott. A modellezésnél ezt úgy vettük figyelembe, mintha a térrész bal oldalán egy injektáló kút lenne, ugyan ekkora hozammal. 3. ábra. A kémiai kísérletek és a modellezés során kapott koncentráció-idő függvények. A modellezett időtartam 6 nap, amelyet 144 időlépcsőre osztottunk, azaz óránkénti modellezést készítettünk. Ehhez a kilépési (jobb) oldalon létrehoztunk egy megfigyelő pontot (Observation Point K 1. A szennyeződésterjedési modellezés során a terjedési folyamtoknál figyelembe vettük az advekcióval és a hidrodinamikai diszperzióval való terjedés lehetőségét. A vizsgált szennyeződés esetében adszorpciós jelenséggel is számoltunk [2]. A 3. ábra a kémiai kísérletek eredményeit mutatja, x tengelyen az időt a modellezéshez igazítva napban adtuk meg és a koncentrációt is átszámoltuk mg/cm 3 -be. A transzportmodell segítségével, ezeket az értékeket szerettük volna visszakapni. Jól látszik az 3. ábrán, hogy a három görbe az x tengely mentén mozog, attól függően, hogy milyen méretű lignit lett a homokhoz hozzákeverve, illetve hogy mindhárom meredeksége (elnyúlása) eltérő. 323
Szántó Judit, Zákányi Balázs 5. Összefoglalás A hidrodinamikai és transzport modellek felépítése és vizsgálata során a Processing MODFLOW for Windows (PMWIN Pro) modellező programcsomagot használtuk. Az eredmények kiértékelést a PMPATH program segítségével végeztük el. Vizsgáltuk, hogy ezekből a részecskékből hány százalék halad át a gáton (η), vagyis a befogási hatásfokot adtuk meg különböző PRB-k esetében, illetve a befogási szélességet és a drének hasznos hosszát. A modellezés célja volt, hogy: megvizsgáljuk a gátak környezetbe illesztésének lehetőségeit, illetve azt, hogy a közegtől eltérő szivárgási tényezőjű gátak, hogyan befolyásolják az áramlási viszonyokat. A kalibrált hidrodinamikai és transzport modellben a kémiai kísérlethez hasonló dimenziókat és paramétereket alkalmaztunk. A transzport modellezés során a szennyezőként bevezetett Cu(II) koncentrációját adtuk meg, melyre az advekcióval és hidrodinamikai diszperzióval való terjedés lehetőségét vettük figyelembe, valamint az adszorpció jelenségével is számoltunk. 6. Köszönetnyilvánítás A tanulmány a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. Irodalomjegyzék [1] Szűcs P, Sallai F., Zákányi B., Madarász T. (2009): Vízkészletvédelem, A vízminőségvédelem aktuális kérdései, Bíbor Kiadó 2009. [2] Kovács B., Szanyi J. Hidrodinamikai és transzport modellezés I-II. Miskolci Egyetem, Műszaki Földtudományi Kar, Szegedi Tudományegyetem, Ásványtani, Geokémiai és Kőzettani Tanszék; GÁMA-GEO Kft. 2004, 2005 [3] Michelle M. Thomson, Craig L. Bartlett, Nancy R. Grosso, Richard C. Landis, John E. Vidumsky: Simulating Plume Capture by a Permeable Reactive Barrier Wall [4] P. Szucs, T. Madarasz, A. Toth, Zs. Nyari, B. Neducza and Sz. Halmoczki: Combination of Hydrogeophysical Methods and Transport Modeling to Assess Special Subsurface Contaminants at a Hungarian Test Site. Geophysical Research Abstracts, Vol. 9., 01544, 2007., European Geosciencies Union, General Assembly, Vienna, Austria, 15-20 April 2007. [5] P. Szucs, T. Madarász and A. Toth: Complex hydrogeological modeling of multifunctional artificial recharge options of the Great-forest park in Debrecen, Hungary, Intellectual Service for Oil and Gas Industry. Analysis, Solutions, Perpectives, Proceedings, 4th Volume, ISBN: 978-963-661-761-5., University of Miskolc and UFA State Petroleum Technological University, 2007., pp. 140-145. 324