Mass transfer in non-aqueous phase liquid contaminanted heterogeneous porous media
Authors: Νικολόπουλος Παναγιώτης 
Published: January 2022

Τα πυκνά υγρά μη υδατικής φάσης (DNAPL) αποτελούν μια ομάδα οργανικών χημικών ενώσεων που δεν αναμειγνύονται με το νερό. Όταν διαρρέουν στο υπόγειο περιβάλλον, προκαλούν μακροχρόνια ρύπανση λόγω της χαμηλής υδατοδιαλυτότητάς τους. Η παγίδευση των DNAPL σε φυσικά εδάφη συνήθως εμφανίζει περίπλοκη μορφολογία. Αυτό δημιουργεί αβεβαιότητα τόσο στην πρόβλεψη της επίδρασης της ετερογένειας στο ρυθμό μεταφοράς μάζας από την διάλυσή τους, όσο και στην επίδραση της δομής του εδάφους στην τύχη και μεταφορά τους. Διερευνήθηκε πειραματικά η επίδραση της δομής διπλής διαπερατότητας στην τύχη και μεταφορά ενός κοινού DNAPL (τετραχλωροαιθυλένιο) σε φυσικά και τεχνητά μοντέλα διπλής διαπερατότητας. Η αναλογικότητα της ροής προς τις τυπικές συνθήκες πεδίου διασφαλίστηκε με τη χρήση ενός τροποποιημένου αριθμού Peclet (Pe). Αποδείχθηκε ότι, παρόλο που η συντηρητική ροή έδειξε ισχυρό καθεστώς διπλής μεταφοράς, η επίδραση της διπλής διαπερατότητας στη μεταφορά DNAPL επικαλύφθηκε από την επίδραση της χρονικά εξαρτώμενης προσρόφησης. Ωστόσο, σε κλίμακα πεδίου αυτή η χρονική εξάρτηση εξαλείφεται και μπορούν να εφαρμοστούν μοντέλα προσρόφησης σε ισορροπία. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε καθεστώτα διπλής ροής στη μεταφορά διαλυμένων NAPL σε πραγματικά πεδία διπλής διαπερατότητας. Αντίθετα, η δομή δεν επέδρασε στην διάλυση του DNAPL είτε μέσω προσρόφησης είτε μέσω διάχυσης. Επιβεβαιώθηκε ισχυρή μη περιορισμένη λόγω παροχής ταχύτητα διάλυσης στα διπλά συστήματα πηγής NAPL ακόμη και για μη ρεαλιστικές (υψηλές) ταχύτητες ύδατος. Αναπτύχθηκαν δισδιάστατα και τρισδιάστατα αναλυτικά μοντέλα για τον υπολογισμό της ροής μάζας από μια μοναδική πηγή NAPL υπό ομοιόμορφες και μη ομοιόμορφες συνθήκες ροής. Η υφιστάμενη κατανόηση σχετικά με τη διάλυση πηγής NAPL εμπλουτίστηκε με την ενσωμάτωση περιοριστικών επιδράσεων σε αυτά τα μοντέλα. Ένας νέος παράγοντας παράκαμψης ροής, το Fb, αναπτύχθηκε για να περιλάβει την επίδραση των αντιθέσεων της διαπερατότητας. Το μοντέλο επιβεβαιώθηκε με αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα για τυπικές συνθήκες πεδίου, Da_source> 10, Pe_source > 1 και 0,5 < kr < 2 (σφάλμα: ±15%). Η τυπική ροή μάζας από το DNAPL βρέθηκε ισχυρά ευαίσθητη ως προς τη μέση ταχύτητα των υπόγειων υδάτων, u¯, προς την επιφάνεια διατομής της πηγής, A_source και προς τον λόγο διαπερατότητας, kr, ο οποίος προκάλεσε φαινόμενα παράκαμψης ροής. Η επίδραση της ετερογένειας του πεδίου στη διάλυση της πηγής-ζώνης DNAPL εξετάστηκε πραγματοποιώντας αριθμητικές προσομοιώσεις της διαρροής και διάλυσης του DNAPL σε δισδιάστατα πεδία 50m × 10m στοχαστικών ιδιοτήτων περατότητας και με την εφαρμογή μιας μεθόδου κανονικοποίησης της ροής μάζας από τους Soga et al. (2004) διερευνήθηκαν 4 ομάδες ετερογένειας με 10 περιπτώσεις η καθεμία και 3 σενάρια ροής. Η κανονικοποιημένη ροή μάζας βρέθηκε να παραμένει σχετικά σταθερή κατά την εξάντληση της πηγής-ζώνης και να κυμαίνεται κυρίως μεταξύ 0,5 και 1,0 για τυπική ετερογένεια πεδίου. Παρατηρήθηκε ελάττωση της ροής μάζας στο σενάριο ετερογενούς ροής σε σύγκριση με την ομοιόμορφη ροή. Αυτή η ελάττωση προκλήθηκε κυρίως λόγω της επίδρασης της σχετικής διαπερατότητας παρά από την ίδια την ετερογένεια του πεδίου. Το αναλυτικό μοντέλο που αναπτύχθηκε αναβαθμίστηκε για να περιγράψει τη μεταφορά μάζας από μια κατανεμημένη πηγή-ζώνη NAPL. Αριθμητικές προσομοιώσεις κλίμακας πεδίου έδειξαν ότι, το μοντέλο αυτό μπορεί να προβλέψει επιτυχώς τη ροή μάζας σε κλίμακα πεδίου. Ο παράγοντας παράκαμψης ροής, κλίμακας πεδίου, Fˆb, βρέθηκε να είναι η κύρια παράμετρος που ελέγχει την κανονικοποιημένη ροή μάζας από μία πηγή-ζώνη NAPL.