5530588-21073

360418191826

ن شريه حفاظت منابع آب و خاك، سال دوم، شماره دوم، زمستان 1391

ارزيابي پارامتريك توانايي نگهداشت خاك در حضور نفت خام در حالت سه فازي1

ميلاد نوري1، مهدي همايي2* و محمد بايبوردي2

دانشجوي كارشناسي ارشد گروه خاكشناسي؛ دانشكده كشاورزي؛ دانشگاه تربيت مدرس؛ تهران؛ ايران
استاد گروه خاكشناسي؛ دانشكده كشاورزي؛ دانشگاه تربيت مدرس؛ تهران؛ ايران *نويسنده مسئول مكاتبات: [email protected]
2363716189773

تاريخ دريافت: 20/04/91 تاريخ پذيرش: 30/08/91

چكيده
آلودگي زدايي خاكهاي آلوده به مواد نفتي براي حفاظت بهينه از منابع آب و خاك بسيار ضروري است. هرگونه آلودگي زدايي چنين خاكهاي مستلزم ارزيابي كمي ويژگيهاي هيدروليكي خاك در حضور اين آلايندهها ميباشد. هدف از اين پژوهش، بررسي توانايي نگهداشت خاك و اثر مقدار NAPLبر توانايي نگهداشت خاك در شرايط سه فازي NAPL -آب-هوا بود. بدين منظور، منحنيهاي نگهداشت خاك در سه نسبت اوليهي 75-25، 50-50 و 25-75 NAPL -آب بوسيلهي دستگاه ستون آويزان تعيين شد. سپس منحنيهاي نگهداشت خاك توسط سه مدل ونگنوختن، بروكس-كوري و كمپبل برآورد شد. همچنين، دقت مدلهاي هيدروليكي بوسيلهي آمارههاي CD ،EF ،RMSE ،ME وCRM آزموده شد. نتايج نشان داد كه مقدار پارامترهاي توزيع تخلخل و نقطه ورود هوا در مدلهاي هيدروليكي با افزايش LNAPL در محيط سه فازي كاهش يافت. بنابراين شيب و مكش نقطه ورود هوا در منحنيهاي نگهداشت خاك در سيستمهاي سه فازي افزايش مييابد. همچنين در مقدار معيني فاز مايع، مكش بيشتري براي زهكشي مايع خاك در سيستمهاي سه فازي NAPL-آب-هوا نسبت به دو فازي آب-هوا لازم است. بنابراين خاك نگهداشت بيشتري براي سيستمهاي سه فازي دارد. همچنين مقدار آمارهها نشان داد كه مدل ونگنوختن برآورد مناسبتري از منحني نگهداشت NAPL در سيستم سه فازي دارد.

واژههاي كليدي: سيستمهاي سه فازي NAPL-آب-هوا؛ مدلهاي هيدروليكي خاك؛ منحني نگهداشت خاك؛ NAPL

(4991 ,.Jarsjo et al). انتقال مواد نفتي به آبهاي زيرزميني تابعي از خصوصيات آلايندههاي نفتي و محيط متخلخل است (5991 ,.Newell et al). از عوامل وابسته به
NAPLها ميتوان به گرانروي، جرم ويژه، قابليت خيسكنندگي4، كشش سطحي و مقدار مايع نشت كرده و از پارامترهاي مربوط به محيط متخلخل به هدايت هيدروليكي، بافت و سازند مادر، وجود حركت ترجيحي5 مقدمه
هنگامي1كه NAPLها2 وارد خاك ميشوند، بخشي از آنها تبخير، قسمتي توسط موجودات زنده خاك تجزيه، جزيي توسط نيروي موئينگي خاك نگهداشت و بخشي به صورت اختلاط ناپذير3 در محيطهاي متخلخل انتقال مييابند.

1 برگرفته از پايان نامه كارشناسي ارشد گروه خاكشناسي، دانشكده كشاورزي، دانشگاه تربيت مدرس
45 Wettability 23 Non-Aqueous Phase Liquids Preferential flow Immiscible displacement
و عمق سفره آب زيرزميني اشاره كرد (Mercer and
.(Cohen, 1990; Newell et al., 1995
Richards (1931) چگونگي انتقال سيالات در محيط (5) S waow  (1(owhow ) )n m متخلخل غير اشباع را بيان ميكند. اين معادله براي (6) S taow  (1( h ) )n m
-2996183826012

مدلسازي انتقال آلايندههاي آلي در محيط متخلخل چند فازي، نيازمند حل معادله جريان براي تمامي اجزاي محرك در سيستم است (Pinder and Grey, 2008). معادله (1992) و Wilson و همكاران (1989) صحت نظريات لورت را تنها در دامنهي محدودي از پتانسيل ماتريك خاك
تاييد كردند. Parker و همكاران (1987) با استفاده از فرضيات لورت معادله منحني نگهداشت خاك ون گنوختن را براي NAPL و آب در سيستمهاي سه فازي اراي ه كردند:
محيطهاي متخلخل تراكم ناپذير در شرايط سه فازي به
Parker et al., 1987; Bear ) صورت زير نوشته ميشود
:(and Cheng, 2008
ξ(

Stw ) .{(kw ( hw})1
ξ(

Sto ) .{(ko ( ho})1
ξ(

Sta ) .{(ka ( ha})1
33909039434

 (x)i (y) j (z)k
كه در آنها ξ تخلخل خاك و So ،Sw و Sa درصد حجمي به ترتيب آب، NAPL و هوا، Ko ،Kw و Ka هدايت هيدروليكي محيط براي آب، NAPL و هوا و ho ،hw و ha پتانسيل ماتريك محيط براي آب، NAPL و هوا است.
اساس اغلب پژوهشهاي منحني نگهداشت خاك در
سيستمهاي سه فازي، فرضيات Leverett (1941) است. اين فرضيات، رابطهي حجم مايع-پتانسيل ماتريك خاك (St-h) در شرايط دو فازي NAPL -هوا را به شرايط سه فازي NAPL -آب-هوا بسط ميدهند. بر مبناي اين فرضيات در سيستمهاي سه فازي، ماده هيدروكربني به روي لايههاي آب جذب شده به ذرات خاك قرار گرفته و باعث از بين رفتن سطح تماس آب-هوا ميشود. بنابراين در سيستمهاي سه فازي NAPL -آب-هوا مقدار حجمي مايع كل تابعي از بار فشار مويينهي سطح تماس NAPL -هوا
((hoa است. Lenhard و Parker (1988)، و Ferrand و همكاران (1990) فرضيات لورت را آزموده و تاييد كردند.
ليكن Busby و همكاران (1995)، McBride و همكاران
aoao
S waow  S waow  Sr  / 1  Sr  (7) S taow  S taow Sr  / 1 Sr  (8)
كه در آن Sr مجموع مقدار NAPL و آب باقيمانده است.
همچنين oSt=Sw+S است. انديس aow نشان دهنده سه فازي بودن محيط است. همچنين Parker و همكاران (987) فرض كردند كه قابليت خيس كنندگي آب بيشتر
از NAPL، و NAPL بيشتر از هوا است.
Cui و همكاران (2003) به بررسي اثر مقدار جرم ويژه و رطوبت اوليه خاك بر روي نگهداشت و هدايت خاك براي سالترول (نوعي LNAPL) پرداختند. نتايج آنها نشان داد كه با افزايش جرم ويژه خاك، نگهداشت خاك براي LNAPL افزايش يافت. همچنين با كاهش مقدار رطوبت خاك، هدايت هيدروليكي و نگهداشت سالترول در سيستمهاي سه فازي افزايش يافت.
Alferi و همكاران (2001) به بررسي نگهداشت خاك
67038828124089
سال

دوم
/

شماره
2
/

زمستان

سال

دوم

/

شماره

2

/

زمستان

silty sand (مخلوطي از يك خاك silt و يك خاك sand) در شرايط سه فازي سالترول-آب-هوا پرداختند. نتايج آن-ها نشان داد كه در سيستمهاي سه فازي نگهداشت محيط متخلخل براي مايع خاك افزايش مييابد و پارامتر نقطه ورود هوا منحني نگهداشت كاهش يافت. تغيير توزيع تخلخل يكي از مهمترين پيامدهاي حضور NAPLها در خاك است. نتايج پژوهش Alferi و همكاران نشان داد كه توزيع تخلخل خاك در اثر حضور LNAPL در خاك از حالت تك تخلخل1 به دو تخلخل1 تغيير يافت. Lenhard و همكاران (004) به تاثير حضور NAPL بر روي توزيعتخلخل خاك در دو حالت آبگيري و زهكشي پرداختند.
آنها با توجه به شباهتهاي بين مدلسازي رطوبت باقيمانده2 و NAPL باقيمانده، مدلي رياضي براي برآورد
مقدار NAPL باقيمانده در محيطهاي سه فازي NAPL-هوا – آب ارايه دادند.
حل معادله ريچاردز در محيطهاي متخلخل غيراشباع نيازمند وجود تابع پيوستهي مقدار حجمي فاز مايع و هدايت هيدروليكي خاك به عنوان تابعي از پتانسيل ماتريك خاك است (van Genuchten, 1980; van
Genuchten and Nielsen, 1985). منحني نگهداشت خاك3 رابطه بين پتانسيل ماتريك و مقدار حجمي فاز مايع خاك را نشان ميدهد. تا كنون روشهاي زيادي براي اندازهگيري مستقيم منحني نگهداشت خاك ارايه شده است (Dane and Hopmans, 2002). با وجود پيشرفتهاي كه براي اندازهگيري مستقيم اين ويژگي خاك ديده ميشود، اين روشها همچنان وقتگير و پرهزينه هستند. تا كنون تلاشهاي بسياري براي مدلسازي منحني نگهداشت خاك صورت گرفته است. Brooks و Corey (1964) با بكار بردن ماده نفتي سالترول4 مدلي براي برآورد مقدار حجمي فاز مايع به عنوان تابعي از پتانسيل ماتريك خاك ارايه كردهاند:
Se  ( 

  r )  (h)
sr
كه در آن، λ پارامتر توزيع خلل و فرج، θs مقدار حجمي مايع خاك در حالت اشباع و در شرايط ايدهآل معادل تخلخل خاك است و α با معكوس پتانسيل ماتريك خاك در نقطه ورود هوا به خاك مرتبط است. هنگاميكه مقدار فاز مايع خاك به θr كاهش يابد، هدايت هيدروليكي خاك به صفر ميل ميكند:

limθ θ r K   0
Campbell (974) نيز معادلهاي براي پيشبيني رابطه پتانسيل ماتريك و رطوبت خاك ارايه داده است:
  s (

hh )(1/b)
0
كه در آن 0h پتانسيل ماتريك خاك در نقطه ورود هوا به خاك و b پارامتر توزيع تخلخل منحني رطوبتي و عكس λ (معادله 9) است.
van Genuchten (1980) نيز مدلي براي برآورد منحني نگهداشت خاك ارايه كرده است:
Se  (1(h)n)m, m  1

1n
كه در آن m و n پارامترهاي شيب منحني نگهداشت خاك و α با عكس مقدار نقطه ورود هوا منحني رطوبتي مرتبط است.
نفت خام يكي از مهمترين آلايندههاي هيدروكربني است كه در اثر نشت مخازن زير زميني و لولههاي انتقال وارد محيط زيست ميشود. بنابراين، بررسي توانايي نگهداشت و انتقال خاك براي نفت خام در سيستمهاي دو فازي NAPL -هوا و سه فازي NAPL -هوا-آب امري ضروري تلقي ميشود. در اين راستا، هدف از انجام اين پژوهش، بررسي منحني نگهداشت خاك در سيستمهاي سه فازي نفت خام -آب-هوا و اثر مقدار نفت خام بر نگهداشت خاك در شرايط سه فازي NAPL-آب -هوا بود.

مواد و روشها
ويژگيهاي فيزيكي محيط متخلخل مورد مطالعه در اين پژوهش در جدول 1 ارايه شده است.
4112878141615
سال

دوم
/

شماره
2
/

مستان
ز



قیمت: تومان

دسته بندی : منابع آب خاک

دیدگاهتان را بنویسید