Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Analiza parametryczna krzywej przejścia znacznika przez kolumnę filtracyjną

Marciniak M., Okońska M., Kaczmarek M., Kazimierska-Drobny K.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2013

|

nr 456 Hydrogeologia z. 14/2

385--390

PL

Kształt krzywej przejścia znacznika przez kolumnę filtracyjną jest zdeterminowany przez udział różnych mechanizmów migracji, zachodzących podczas transportu danej substancji. Na podstawie interpretacji krzywej przejścia można rozpoznać wartości parametrów filtracji i migracji znacznika przez próbkę gruntu, tj. dokonać kalibracji modelu. Celem badań opisanych w artykule była analiza zależności kształtu krzywej przejścia od procesów zachodzących w kolumnie i wartości parametrów filtracji i migracji. Opracowano model matematyczny eksperymentu kolumnowego i napisano kod dla jego rozwiązania metodą elementów skończonych w środowisku obliczeniowym MATLAB. Na podstawie analizy parametrycznej modelu zbadano zależność kształtu krzywej przejścia od parametrów procesów filtracji i migracji. Analizę parametryczną przeprowadzono dla parametrów występujących w makroskopowym opisie matematycznym procesu migracji uwzględniając mechanizmy adwekcji, dyfuzji i dyspersji. Proces sorpcji opisano równowagowymi modelami Henry’ego, Freundlicha lub Langmuira lub liniowym modelem kinetycznym sorpcji odwracalnej lub nieodwracalnej. Obliczenia przeprowadzono przy założeniu, że na wejściu do kolumny znacznik jest iniekowany przez krótki czas, co można traktować jako superpozycję dwóch impulsów Heaviside’a o przeciwnych amplitudach, przesuniętych w czasie. Zakres zmienności parametrów dobierano uwzględniając podawane w literaturze dane dotyczące parametrów migracji w warunkach laboratoryjnych.

EN

The shape of a breakthrough curve charactering tracer migration in a filtration column is determined by several migration processes that occur during the transport of the tracer. The research presented in this paper was based on the interpretation of a breakthrough curve. This interpretation was performed in order to establish the parameters of water flow and tracer migration in a sample of soil. The relationship between the shape of a breakthrough curve and the processes that occur in the filtration column, as well as the parameters of water flow and tracer migration, were characterized. A mathematical model of a column experiment was formulated and solved using the MATLAB computational environment. Based on the sensitivity test executed for the model, the relation between the curve’s shape and the parameters of water flow and tracer migration was established. The sensitivity test was used for the parameters included in the mathematical equation of water flow and the following migration processes: advection, diffusion, dispersion, and sorption described by the Henry, Freundlich and Langmuir equations, as well as kinetic models of sorption. Calculations were performed assuming that the tracer is briefly injected at the input of the column. Such procedure creates conditions which resemble the superposition of two Heaviside impulses shifted in time and of opposite amplitudes. The variability range of the analyzed parameters was selected in accordance with data reported in the literature on migration parameters in laboratory conditions.

2

Pojemność wymiany kationów osadów plejstocenu i wpływ wymiany jonowej na skład chemiczny wód podziemnych w dolinie kopalnej w rejonie Raciborza

Potoczny K., Miotliński K., Kowalczyk A.

Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego

|

2009

|

nr 436, z. 9/2

387-395

PL

Wymiana jonowa jest jednym z głównych procesów geochemicznych kształtujących skład chemiczny użytkowych wód podziemnych. Pojemność wymiany kationów (PWK) jest ważnym parametrem wymaganym przez programy do modelowania transportu reaktywnego, chociaż rzadko oznaczanym w badaniach hydrogeochemicznych. Jednak wzrost znaczenia modeli transportu reaktywnego wymaga zastosowania bardziej dokładnych wielkości PKW, co wiąże się z zastosowaniem optymalnych i precyzyjnych metod oznaczeń tego parametru. Niniejszy artykuł prezentuje wartości PWK próbek osadów pobranych z doliny kopalnej w rejonie Raciborza. W zbiorniku tym występowanie wielu kationów jest kontrolowane przez proces wymiany jonowej. Pomiary PWK były wykonywane przy użyciu trzech metod (wzór empiryczny, metoda statyczna, eksperyment kolumnowy). Następnie przedyskutowano różnice pomiędzy uzyskanymi wynikami.

EN

Ion exchange is one of the major geochemical processes affecting chemical composition of potable groundwater. Cation exchange capacity (CEC) is a major parameter required by reactive transport models. Nevertheless, the said parameter is rarely quantitatively evaluated in hydrogeochemical studies. Since the role of reactive transport models increases, the choice of the most accurate method of CEC evaluation is of major significance in groundwater studies. The paper presents the values of CEC of sediments sampled in the buried valley aquifer in the Racibórz area. In that aquifer, the distribution of many cations is controlled by ion exchange process. The measurements of CEC were performed with the use of three conventional methods (empirical formula, batch test and column experiment). Subsequently, the differences among the results are discussed.

3

Wpływ efektu skali eksperymentu kolumnowego na identyfikację parametrów migracji znaczników metodą rozwiązań analitycznych i modelowania numerycznego

Marciniak Marek, Okońska Monika, Małoszewski Piotr

Geologos

|

2006

|

Vol. 10

167--188

EN

Laboratory investigations of an ion migration through a ground sample were carried out. The experiments were conducted with one kind of natural ground (semi-coarse sand) and with one solution containing two kinds of tracers. Chloride ions were used as a passive tracer, while lithium ions were applied as an active tracer. The experiments were performed by means of three various size filtration columns constructed by the authors. First the tracers were injected according to an increasing and decreasing Heaviside’s function, and then according to approximate Dirac’s function. As a result 18 tracer breakthrough curves through the examinated ground samples were registered. The experiment data allowed identifying such tracer migration parameters as: dispersivity a, distribution coefficient Kd and retardation factor R. The migration parameters’ values were determined by two methods: the analytical solution of a mathematical model describing experiment conditions, and the calibration of numerical model created by means of Visual MODFLOW and MT3D99 programs. As the research result a group of migration parameters’ values was received for each of the filtration columns. As the conclusion the authors discussed a scale effect on the basis of the migration parameters’ values obtained by the analytical and numerical identifications.

4

Identyfikacja parametrów migracji zanieczyszczeń w porowatym ośrodku hydrogeologicznym metodą modelowania eksperymentu kolumnowego

Okońska M.

Geologos

|

2006

|

Vol. 9 Monographiae 3

5--97

PL

1.1. Cel pracy badawczej Proces migracji zanieczyszczeń w warstwie wodonośnej jest obecnie przedmiotem wielu badań. Zagadnienie to jest aktualne z uwagi na realną możliwość zanieczyszczenia wód podziemnych przez szereg ognisk zanieczyszczeń, takich jak nieodpowiednio zabezpieczone składowiska odpadów, nieprawidłowo nawożone pola uprawne czy wylewiska rożnego rodzaju ścieków. Zanieczyszczenia, po przesączeniu się przez strefę aeracji, dostają się do strumienia wód podziemnych, powodując często niekorzystne zmiany składu fizyczno-chemicznego wód (rys. 1.1). Istotne jest zatem rozpoznanie sposobu przemieszczania się rożnych substancji zanieczyszczających w warstwie wodonośnej oraz rozpoznanie możliwości ich usuwania lub rozcieńczania. Do prognozowania migracji zanieczyszczeń stosuje się obecnie w hydrogeologii rozwiązania analityczne oraz metody symulacji komputerowych. Zarówno rozwiązanie równań analitycznych, jak i przeprowadzenie modelowania procesów migracji metodami numerycznymi wymaga zdefiniowania warunków granicznych (brzegowych i początkowych) oraz znajomości parametrów. Celem podjętej pracy było wypracowanie metody, pozwalającej na identyfikację, czyli wyznaczanie wartości, parametrów migracji potrzebnych do prognozowania przemieszczania się zanieczyszczeń w porowatym ośrodku hydrogeologicznym. W trakcie przeprowadzonych badań uwzględniono parametry występujące w ma tematycznym opisie takich procesów, jak: adwekcja, dyfuzja, dyspersja oraz sorpcja (Kleczkowski (red.), 1984; Małecki i in., 2006; Visual MODFLOW..., 2002): a) parametry przenoszenia adwekcyjnego (konwekcyjnego): – współczynnik filtracji k, – współczynnik porowatości całkowitej n i współczynnik porowatości aktywnej na, – współczynnik sprężystej pojemności wodnej Ss i współczynnik grawitacyjnej pojemności wodnej Sy, b) parametry dyfuzji i dyspersji hydrodynamicznej: – stała dyspersji α, – współczynnik dyspersji całkowitej D, – współczynnik dyfuzji molekularnej DM, c) parametry sorpcji: – stała podziału K, – współczynnik opóźnienia R. 1.2. Zakres badań W badaniach migracji substancji w ośrodku hydrogeologicznym można obserwować istniejące ognisko zanieczyszczeń lub przeprowadzić zaplanowany eksperyment. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że przy wyznaczaniu parametrów migracji znaczenie ma skala badań: skala regionalna, skala lokalna (hydrowęzła) lub skala próbki (laboratoryjna). W ramach niniejszej pracy zdecydowano się na wypracowanie metody identyfikacji parametrów migracji na podstawie zaplanowanej serii eksperymentów przeprowadzonych w skali laboratoryjnej. Przy wyborze skali badań kierowano się następującymi względami: – początkowy etap badań, – możliwość dobrego rozpoznania składników bilansu przepływu i koncentracji znacznika, – zebranie danych do zaplanowania eksperymentu w większej skali, – relatywnie niski koszt badań, – stosunkowo krótki czas badań. W pierwszym etapie badań przeprowadzono osiemnaście doświadczeń laboratoryjnych na aparacie nazwanym sorpcjometrem kolumnowym SK-2000 (Marciniak i in., 2001). Doświadczenia obejmowały badania migracji wybranych substancji przez próbki gruntu. Badania laboratoryjne przeprowadzono na trzech rodzajach naturalnych gruntów, zróżnicowanych granulometrycznie, przy użyciu trzech rożnych roztworów, z których każdy zawierał wybrane jony pełniące funkcję znaczników (rys. 1.2). W wyniku eksperymentów uzyskano krzywe przejścia znacznika idealnego (znacznika ulegającego procesom adwekcyjno-dyspersyjnym) i znaczników sorbowanych (znaczników ulegających procesom adwekcyjno-dyspersyjnym i sorpcji). Zarejestrowane doświadczalnie krzywe przejścia znaczników przez grunty były następnie przedmiotem interpretacji, przeprowadzonej metodą numeryczną. W programach Visual MODFLOW Pro v.3.1 i MT3D99 skonstruowano modele, odtwarzające geometrię próbki gruntu i warunki z doświadczeń laboratoryjnych. W wyniku kalibracji modeli numerycznych uzyskano wartości parametrów dyspersji hydrodynamicznej i parametrów sorpcji. W celu weryfikacji otrzymanych wartości parametrów dodatkowo przeprowadzono sprawdzające obliczenia analityczne. Punktem wyjścia do obliczeń były uzyskane w doświadczeniach laboratoryjnych krzywe przejścia.

EN

The aim of research work The process of pollutants migration in an aquifer has been investigated by a lot of research. The issue is an object of current interest because of the possibility of the groundwater pollution coming from many pollution sources, such as inappropriately secured landfills, improperly fertilized farmland or places for spillage communal and industrial wastewaters (Fig. 1.1). The pollutants cause unfavourable changes of water quality. Therefore, it is important to recognize the way the pollutants migrate in an aquifer and to identify the possibilities of their removal or dilution. To predict how the pollutants migrate analytical solutions and computer simulation methods are used in hydrogeology. However, both solving analytical equations and conducting of the migration process modelling by numerical methods require, apart from defining the boundary and initial conditions, the knowledge of hydrogeological parameter values. The aim of the research was to work out a method, which would allow identifying the hydrogeological parameters of water filtration and pollutants migration (achieving the parameter values) required to predict the pollutants transport in a groundwater porous medium. During the research the parameters appearing in a mathematical description of such processes as advection, dispersion and sorption were taken into account. The scope of research The research procedure included two basic stages. First the planned sequences of column experiments in laboratory conditions were conducted. The eighteen identification experiments were done by means of an apparatus called a column sorptiometer SK-2000 (Fig. 3.1, Phot. 3.2–3.3). The experiments involved the exploration of chosen substances migration through the ground samples (40 mm wide and 100mmhigh). The experiments were carried out with three kinds of natural grounds (coarse sand, semi-coarse sand and fine sand) for three types of solutions (Fig. 1.2– see below), all of which included selected ions performing as tracers. Chloride ions were used as a conservative tracer undergoing advection and dispersion processes. Lithium ions and ammonium ions were treated as the sorbed tracers undergoing advection, dispersion and sorption processes. For each of the tracers a continuous injection and a short injection of solution were applied (Fig. 2.11, Fig. 2.13). As a result of these experiments the jump and the impulse breakthrough curves of the tracer were accordingly registered. In all 18 breakthrough curves were registered (Fig. 4.3–4.18). In the course of the experiments selected parameters as a pHvalue, a temperature and a flow rate were monitored. After completing the laboratory research, in the second stage of work the registered breakthrough curves were interpreted by the numerical method. The eighteen numerical models of the filtration column were constructed by means of Visual MODFLOW Pro v.3.1 and MT3D99 programs. Each experiment had a separate model, which reflected the geometry of a ground sample in a 1:1 scale and simulated the conditions of the laboratory experiment (Fig. 5.2–5.3). The hydrodynamic parameters’ values were examined on the basis of the measurements taken during laboratory research as well as on the basis of figures resulting from porosimetric research. The migration parameters’ values were searched in the process of individual model calibration. The calibration of the model was carried out by comparing the calculated breakthrough curves to experimental ones (Fig. 5.5). The calibration process was carried out by applying the consecutive approximation method until the assumed compatibility criteria were met. As the result of the applied investigation procedure, hydrodynamic dispersion and sorption parameters were determined (Tab. 5.8–5.10). Calibration correctness was proved by additional analytical calculations, which enabled estimating hydrogeological parameters’ values (Fig. 5.8). The research results As the result of the laboratory and model research, the method that allows identifying the chosen migration parameters necessary for predicting the pollutants transport in a groundwater porous medium has been worked out. The research procedure presented in the paper concerns the identification experiments carried out in laboratory conditions and enables obtaining parameters’ values in the laboratory scale. As the result of numerical model calibration a longitudinal dispersivity value αL (for a sample scale) and a distribution coefficient Kd for a linear sorption isotherm were obtained. The hypothesis of the possibility of identifying pollutants migration parameters in a well and medium permeable porous medium by the method of the column experiment modelling was proved. The identification method shown in this work has its limitations, which result from the assumed advection dispersion and sorption scheme of migration process. In the course of the research it was confirmed that the reliability of the obtained results is strongly dependent on recognizing the processes occurring during ions migration through a given medium as well as on determining precisely the parameter values measured in an identification experiment. During numerical model calibration the particularly big influence of the permeability coefficient k and the effective porosity na values on the obtained result was registered. On the basis of the research done on the identification of pollutants migration parameters in a groundwater porous medium, the following practical conclusions can be drawn: – The application of 3-D numerical solutions enables simulating spatial character of examining migration processes and it allows avoiding excessively complicated analytical solutions. – Making use of the obtained research results for predicting migration processes in a bigger scale requires recalculating parameters’ values onto a forecast model scale. On the basis of the research one may expect that the presented identification procedure can be also applied when the identification experiments are car- ried out in outdoor conditions, i.e. in a local or even regional scale. The numerical model can refer to the selected fragment of the research area, maintaining its representativeness, with no necessity of changing a scale. The parameters’ values determined by a numerical model can be entered into a proper forecast model, designed in the same computer program. Further research will be carried out towards the possibility of using the developed method for identifying selected migration parameters in a local scale, better recognition of the conditions of an identification experiment as well as the algorythmization of a model calibration process.

5

Zastosowanie modelu numerycznego do wyznaczania stałych równania Langmuira na podstawie doświadczenia dynamicznego

Gruszczyński T., Małecki J. J.

Przegląd Geologiczny

|

2002

|

Vol. 50, nr 10/2

999-1003

EN

This article discusses interpretation of results derived from column experiments. The study was performed on a column sorptiometer SK-2000. To assess the equivalent concentrations of ions adsorbed on the surface of solid phase, the authors suggest using a one-dimensional model of mass transport in advection-dispersion flux with regard to processes of sorption and ion exchange. The empirical data derived from the experiments performed and the results of model calculation were used for determining constant values of Langmuir's isotherm. These are preliminary results and this study is ongoing.