Eymir-Mogan gölleri arasında yeraltı suyu akım ve kütle taşınım modeli
Groundwater flow and solute transport model between Eymir and Mogan lakes (Ankara)
Yazar: ERKAN DİŞLİ
Danışman: Y.DOÇ.DR. LEVENT TEZCAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Jeoloji (Hidrejeoloji) Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Jeoloji Mühendisliği = Geological Engineering
Dizin: Ağır metaller = Heavy metals ; Hidrojeoloji = Hydrogeology ; Kirlilik taşınım modeli = Contaminant transport model ; Modflow = Modflow ; Mogan Gölü = Mogan Lake

Özet:
Ankara ilinin güneyinde yer alan Gölbaşı ilçesinde gelişme gösteren endüstriyeltesislere (metal, maden vb.) ve yerleşim birimlerine ait atık sular arıtma işlemindengeçirilmeksizin doğrudan Mogan ve Eymir gölleri ile gölleri besleyen derelereboşaltılmaktadır.Bu durum su kaynaklarında hızlı bir şekilde kirlenmeye nedenolmaktadır. Özellikle Mogan Gölü'nde meydana gelen kirlenme Eymir Gölü'nü veiki göl arasında yer alan Kuvaterner yaşlı alüvyon çökellerden oluşan hidrojeolojiksistemi kalite açısından etkilemektedir. Çalışma alanında değişik boyutlardagörülmeye başlayan kirlenme, su kaynaklarında kalite, insan sağlığı açısından isegünümüz ve gelecek için uzun dönemli riskler oluşturmaya başlamıştır. Bundandolayı iki göl arasında yer alan inceleme alanında hidrojeolojik yapıyı tanımlamakve bu yapı içerisinde gercekleşen yeraltısuyu akım ve kütle taşınım hareketinidenetleyen fiziksel ve kimyasal parametreleri belirlemek amacı ile arazide sondaj,gözlem, örnekleme; laboratuvar koşullarında ise deneysel çalışmalar yapılmıştır.Yapılan bu çalışmalar sonucunda elde edilen verilerden yararlanılarak kirleticilerinhidrojeolojik sistemdeki hareketi sırasında konuma ve zaman bağlı olarak nedenolduğu kirlenme matematiksel 3 boyutlu akım ve taşınım modelleri ile ortayakonulmuştur.İki göl arasında yer alan inceleme alanında birimlerin düşey ve yanal yöndekidağılımlarını belirlemek amacı ile 10 farklı lokasyonda ve değişik derinliklerdesondaj çalışmaları yapılmıştır. Bununla beraber hidrojeolojik sistemdeki YASdeğişimini gözlemek ve yeraltısuyundan örnekleme alabilmek amacı ile açılansondaj kuyularına PVC plastik borular yerleştirilmiştir. Sondaj çalışmaları sırasındaalınan karot örneklerine ait jeohidrolojik ve taşınım parametreleri belirlemek amacıile laboratuvar koşullarında deneyler yapılmıştır.Yapılan tane boyu analizlerisonucunda alüvyon çökellerin kil, siltli killi tın, kumlu tın, tınlı kum, siltli tın ve kum(USDA,1972) olmak üzere 6 farklı hidrolik birimden oluştuğu ve heterojen bir yapıgösterdiği belirlenmiştir. Gözlem ve deneyler sonucunda hidrojeolojik sistemdeyeraltısuyu akım hareketinin (Mogan Gölü'nden Eymir Gölü'ne doğru) çok düşükhızda (i?0.0012) ve hidrolik iletkenliği düşük (10?8? K ?10?10 m/s) kumlu, siltli vekilli birimler içerisinde gerçekleştiği belirlenmiştir. Heterojen bir yapı göstereninceleme alanı düşey akım bileşeni de dikkate alınarak 11 model katmanınabölünmüştür. Her bir model katmanı, hidrojeolojik birimlerin göstermiş olduklarılitolojik özelliklere göre 6 farklı zona ayrılmıştır. Her zon kendi içerisinde homojenhidrolik parametreler ile temsil edilmiştir.Potansiyel su kaynaklarında mevcut su kalitesi belirlemek amacı ile yüzey veyeraltısuyundan değişik aylarda örnekleme çalışmaları yapılmıştır. Bu örneklerdeyapılan kimyasal analizler sonucunda su kaynaklarında ağır metaller ve azotluorganik kirleticiler olmak üzere iki farklı kirletici grubu tesbit edilmiştir. Bukirleticilerden ağır metaller (Cu, Zn, Ni, Mn ve Fe) örnekleme yapılan bütünlokasyonlarda değişik derişimlerde gözlenirken azotlu organik kirleticiler (NO-3 veNH4) ise bazı lokasyonlarda kesikli olarak gözlendiği belirlenmiştir.Tez çalışması kapsamında yapılması planlanan üç boyutlu kütle taşınımmodelinde kirleticilerin toprak ile tepkimeye girme önceliği dikkate alınarak Cu, Znve Mn ağır metallerinden oluşan çok bileşenli (multi-component) kirletici grubununtaşınım hareketinin sistem içerisindeki yayılımı konuma ve zaman bağlı olarakbelirlenmiştir. Bu amaçla gözenekli ortamın katı matriksi ile kirleticiler arasındameydana gelen tutulma izoterm modeli herbir litolojik birim ve kimyasal tür içintanımlanmıştır. Yapılan tutulma deneyleri sonucunda YKD koşullarında Cu ağırmetali doğrusal, Zn ve Mn ağır metallerinde ise genelde doğrusal olmayanizoterm modelleri (Langmuir ve Freudlich) gözlenmiştir. Toprak örneklerindeyapılan tutulma deneyleri sonucunda ağır metallerden Cu ait Kd değeri kil birimindemaksimum (32550.350 l/kg) tınlı kum biriminde ise minimum (18170.76 l/kg)olduğu belirlenmiştir. Zn matelinde maksimum tutma kapasitesi (ß) değeri kilbiriminde maksimum (10985.148 mg/kg), siltli tın biriminde minimum (8597.14mg/kg), Mn da ise kil biriminde maksimum (7587.391 mg/kg) tınlı kum birimde iseminimum (4908.695 mg/kg) değrleri aldığı hesaplanmıştır. Cu, Zn ve Mn içintaşınım modelleri tutulma olmak sızın ve tutulmanın gözlendiği koşullarda olmaküzere iki farklı aşamada çalıştırılmıştır. Birinci aşama sonucunda kirleticileradvektif ve dispersif süreçlere bağlı olarak hidrojeolojik istemde zaman bağlıolarak yayılım göstermişlerdir. İkinci aşama sonucunda ise kirletici kaynakkonumunda olan Mogan Gölü'nden sisteme nufüz eden Cu, Zn ve Mn metalleri Kdparametresine bağlı olarak doğal akım koşulları altında hidrojeolojik sistemde Cu>Zn>Mn şeklinde bir tutulma göstermektedir. Kütle taşınım modelinde kirleticikaynak durumunda yer alan Mogan Gölü'nde kirletici derişimleri ilk 30 yıl boyuncasabit,100 gr/m3 ve diğer bir 30 yıllık zaman periyodunda ise 0 olarak kabuledilmiş, kirleticilerin hidrojeolojik sistemde neden olabileceği kirlenmenin konumave zaman göre etkisi kestirilmeye çalışılmıştır. Kütle taşınım modelinde 60 yıliçerisinde katı matris tarafından yaklaşık 2x108 gr Cu tutulmuş ve bu zaman dilimiboyunca Eymir Gölü'ne ulaşan Cu miktarı ise yaklaşık 0.062 gr olarakhesaplanmıştır. 60 yıl sonunda Eymir Gölüne ulaşan Zn ve Mn miktarları ise Cu'agöre çok daha fazla (~4200 gr) olduğu belirlenmiştir.Anahtar Kelimeler: Mogan Gölü, hidrojeolojik sistem, heterojenite, yeraltısuyukirliliği, ağır metal, izoterm modelleri, paylaşım katsayısı, dispersivite, MF2K-GWT,MT3DMS.

Abstract:
Wastewater belong to industrial plants (metal, mining, etc.) and urban areas inGolbasi County, located to the south of Ankara, have been discharged directly toMogan and Eymir lakes or streams flowing to these lakes, without treatment.These processes have given rise to a rapid contamination in these waterresources. The contamination in the Mogan Lake also affects both the Eymir Lakelocated to the north and the Quaternary alluvium aquifer that extends betweenthese lakes. The magnitude of contamination observed in the study area is spatialtemporallyvariable and has started to pose long term risk for quality of waterresources. In addition to experimental studies in laboratory conditions, drilling,observation and sampling studies in the field have been carried out to identifyhydrogeological structure, physical and chemical parameters which control thegroundwater flow and solute transport within the aquifer between the lakes. Athree dimensional numerical flow and transport model of the alluvial aquifersystem have been developed on the basis of these laboratory and field data.Boreholes with various depths have been drilled at ten different locations of thealluvial aquifer to evaluate the distribution of horizontal and vertical direction ofunits. PVC filters have been placed into boreholes to observe the groundwaterlevel in hydrogeological system and collect groundwater samples. Undisturbedsamples taken from drillings have been used to determine hydraulic and transportparameters of the groundwater system. Grain size distribution analyses revealed aheterogeneous alluvial deposition medium comprising of six different hydraulicunits, namely clay, silty clay loam, sandy loam, silty loam, loamy sand and sand(e.g. USDA, 1972). Field observations and laboratory data indicates thatgroundwater flow from Mogan Lake toward Eymir Lake is primarily occurs throughsandy and silty-clayey horizons with respective hydraulic gradient and hydraulicconductivity values of i ? 0.0012 and 10?8 ? K ? 10?10 m/s. Considering theobserved heterogeneity and vertical flow effect, the flow domain has been dividedinto 11 model layers. Each layer has been divided into 6 different hydrogeologicalzones according to the lithological properties of hydrogeological units.The hydraulic parameters are assumed to be homogeneous within each zone.Based on water quality data obtained from surface and groundwater samples, twodifferent contaminant groups comprising of heavy metals and organic nitrogencompounds have been identified. Among all contaminant, heavy metals (Cu, Zn,Ni, Mn and Fe) have been observed in all locations at varying concentrationswhereas, contaminants of organic nitrogen (NO-3 ve NH4) have only beenobserved at some locations.In the three dimensional solute transport model applied to the investigation area,the spatial-temporal spread of multi component contaminants group (i.e. Zn, Cuand Mn) has been determined depending on their respective sorptivity on theaquifer skeleton. The sorption isotherm models between the solid matrix and thecontaminants have been established by means of batch and column tests for eachlithologic unit and chemical species. The results of batch experiments, carried outunder the local chemical equilibrium assumption, revealed a linear sorption modelfor Cu whereas, Zn and Mn posses a non-linear (i.e. Langmuir and Freundlich)sorption behavior. The partitioning coefficient (Kd) of Cu were found to be highestin clay unit (32550.350 l/kg) and lowest in loamy sand (18170.76 l/kg).Theminimum and maximum sorption capacity (ß ?? ) values for Zn were found to be inclay (10985.148 mg/kg) and in siltli tın (8597.14 mg/kg) units, respectively.Similarly, clay (7587.391 mg/kg) and tınlı sand (4908.695 mg/kg) units providedthe maximum and minimum values for Mn. Solute transport models have been runfirst for the case without sorption then, run for the case where sorption is effective.In the first case, contaminants were found to spread spatio-temporally in the flowdomain based on the prevailing advective and dispersive processes. In the secondcase, on the basis of Kd values, a sorption order of Cu >Zn>Mn were found to beeffective under natural flow conditions for the contaminants entering the aquiferfrom the Mogan Lake. Based on a scenario that, the constant concentration of100 gr/m3 attributed to Mogan Lake for 30 years, following a period of 30 years ofzero concentration, and the spatial and temporal distribution of the concentrationin the hydrogeological system is estimated for 60 years. Mass transport modelinfers that the amount of Cu to be sorbed in aquifer during the next 60 years willamount to 2x108 gr, while the amount of Cu arriving at the Eymir Lake would be0.062 gr. The amounts of Zn and Mn to be arrived at the Eymir Lake at the end of60 years simulation period are found to be 4200 gr.Key Words: Mogan Lake, hydrogeological system, heterogeneity, groundwatercontamination, heavy metal, isotherm model, partitioning coefficient, dispersivityMF2K-GWT, MT3DMS.