بررسی آزمایشگاهی تغییرات انتشارپذیری آلاینده‌ها در محیط‌های متخلخل همگن و غیرهمگن اشباع

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی مهندسی آب، دانشجوی کارشناسی ارشد دانشگاه کردستان-

2 استادیار، دکتری آبیاری و زهکشی، هیأت علمی، گروه مهندسی آب دانشگاه کردستان، سنندج،

چکیده

تخمین دقیق پارامترهای انتقال آلاینده یکی از گام­های بسیار مهم برای شبیه­سازی انتقال آلاینده در محیط­های متخلخل می­باشد. در این تحقیق، متوسط سرعت آب منفذی و ضریب انتشار در سه نوع محیط متخلخل اشباع تخمین زده شده و تغییرات انتشارپذیری با مقیاس بررسی گردید. مقادیر متوسط سرعت آب منفذی و ضریب انتشار با برازش حل تحلیلی معادله­ی جابجایی-انتشار بر منحنی­های رخنه­ی آزمایشگاهی با استفاده از نرم­افزاز CXTFIT2.1 به دست آمد. داده­های مورد نیاز، با انجام آزمایش­های ردیابی در یک تانک شن به ابعاد داخلی  سانتی­مترمکعب جمع­آوری شد. آزمایش­ها در سه نوع محیط متخلخل (خاک ماسه­ای همگن، خاک ماسه­ای غیرهمگن با چیدمان تصادفی و خاک ماسه­ای غیرهمگن با چیدمان طبیعی) تحت سه گرادیان هیدرولیکی 017/0، 025/0 و 034/0 انجام گردید. نتایج نشان داد که در هر سه محیط متخلخل و در هر سه گرادیان هیدرولیکی، انتشارپذیری با مقیاس افزایش پیدا کرد. همچنین مشاهده شد که با افزایش درجه­ی غیرهمگنی، تغییرات انتشارپذیری با مقیاس افزایش یافت. تحت گرادیان هیدرولیکی 017/0، انتشارپذیری محیط متخلخل همگن به­صورت غیرخطی افزایش پیدا کرد و در دو گرادیان هیدرولیکی دیگر، تغییرات آن از توابع خطی پیروی نمود. در محیط­های متخلخل غیرهمگن مطالعه شده، تحت گرادیان هیدرولیکی 017/0، تغییرات انتشارپذیری به­صورت نامنظم بود. در حالی­که در دو گرادیان هیدرولیکی دیگر تغییرات آن به­صورت تابع نمایی یا تابع توانی بود. بنابراین، به­طور کلی،­ در یک آبخوان همگن تحت گرادیان­های هیدرولیکی زیاد و در یک آبخوان غیرهمگن می­توان تغییرات انتشارپذیری را به ترتیب به­صورت یک تابع خطی و یک تابع توانی یا یک تابع نمایی تقریب زد. 
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Laboratory investigation of dispersivity variations of contaminants in saturated homogeneous and heterogeneous porous media

نویسندگان [English]

  • Golestan Jafari Kalkan 1
  • Behrouz Mehdinejadiani 2
1 MSc. Student, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Kurdistan
2 Assistant Professor, Department of Water Engineering, Faculty of Agriculture, University of Kurdistan
چکیده [English]

An Accurate estimation of contaminant transport parameters is one of the most important steps for simulation of contaminant transport in porous media. In this work, the mean pore water velocity and the dispersion coefficient in three kinds of saturated porous media were estimated and their dispersivity variations with scale were investigated. The values of the mean pore water velocity and the dispersion coefficient were obtained by fitting the analytical solution of advection-dispersion equation to experimental breakthrough curves by using software CXTFIT2.1. The required data were collected by conducting tracer tests on a sand tank of internal dimensions cm3. The tests were conducted in three kinds of porous media (homogeneous sandy soil, randomly heterogeneous sandy soil and natural heterogeneous sandy soil) under three hydraulic gradients 0.017, 0.025 and 0.034. The results showed that the dispersivities of each three porous media at each three hydraulic gradients increased with scale. Also, it was observed that with increasing the heterogeneity degree, the dispersivity variations with scale increased. Under hydraulic gradient 0.017, the dispersivity of the homogenous porous medium increased as a nonlinear function and in two other hydraulic gradients, its variations followed the linear functions. In the studied heterogeneous porous media, under hydraulic gradient 0.017, the dispersivity variations were erratic. However, in two other hydraulic gradients, its variations were as a power function or an exponential function. Therefore, in general, in a homogeneous aquifer and under high hydraulic gradients and in a heterogeneous aquifer, one can approximate the variations of the dispersivity using a linear function and a power function or an exponential function, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • : Advection-dispersion equation
  • Breakthrough curve
  • Scale effects
  • Software CXTFIT2.1

ان، ف.، ا. ح. ناظمی و ع. ا. صدرالدینی. 1392. مقایسه چهار مدل ضریب پراکنش در تحلیل ریاضی انتقال آلاینده­ها در خاک‌های ناهمگن. نشریه دانش آب و خاک، جلد 23، شماره 3، ص 260-249.

Al-Tabbaa, A., J. M. Ayotamuno, and R. J. Martin, 2000. One-dimensional solute transport in stratified sands at Short travel distances. Journal of Hazardous Materials, 73: 1-15.

Fallico, C., F. Chidichimo and S. Straface. 2012. Solute dispersion in porous media at different transport velocities and distances. International Water Technology Journal, 2(2): 100-109.

Fetter, C. W. Contaminant hydrogeology. 1999. Macmillan Publishing Company, New York.

Gao, G., H. Zhan, S. Feng, G. Huang and X. Mao. 2009. Comparison of alternative models for simulating anomalous solute transport in a large heterogeneous soil column. Journal of Hydrology, 377: 391–404.

Gelhar, L. W., C. Welty and K. R. Rehfeldt. 1992. A critical review of data on field-scale dispersion in aquifers. Water Resources Research, 28 (7): 1955-1974.

Huang, K., N. Toride and M.TH. Van Genuchten. 1995. Experimental investigation of solute transport in large, homogeneous and heterogeneous, saturated soil columns. Transport in Porous Media, 18: 283-302.

Huang, Q., G. Huang and H. Zhan. 2008. A finite element solution for the fractional advection–dispersion equation. Advances in Water Resources, 31: 1578-1589.

Khan, A. UH. and W. A. Jury. 1990. A laboratory study of the dispersion scale effect in column outflow experiments. Journal of Contaminant Hydrology, 5: 119-131.

Levy, M. and B. Berkowitz. 2003. Measurement and analysis of non-Fickian dispersion in heterogeneous porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 64: 203–226.

Loague, K. and R. Green. 1991. Statistical and graphical methods for evaluating solute transport models. Journal of Contaminant Hydrology, 7: 51-73.

Neuman, S. P. 1990. Universal scaling of hydraulic conductivities and dispersivities in geologic media. Water Resources Research, 26(8): 1749–1758.

Pang, L. and B. Hunt. 2001. Solutions and verification of a scale-dependent dispersion model. Journal of Contaminant Hydrology, 53: 21-39.

Pickens, J. F. and G. E. Grisak. 1981. Scale-dependent dispersion in a stratified granular aquifer. Water Resources Research, 17(4): 1191-1211.

Porro, I., P. J. Wierenga and R. G. Hills. 1993. Solute transport through large uniform and layered soil columns. Water Resources Research, 29(4): 1321-1330.

Silliman, S. E. and E. S. Simpson. 1987. Laboratory evidence of the scale effect in dispersion of solutes in porous media. Water Resources Research, 23(8): 1667-1673.

Sudicky, E. A. and J. A. Cherry. 1979. Field observations of tracer dispersion under natural flow conditions in an unconfined sandy aquifer. Water Pollution Research Journal (Canada), 14:1-17.

Toride, N., F .J. Leij and M. Th. Van Genuchten. 1999. The CXTFIT code for estimating transport parameters from laboratory or field tracer experiments Version 2.1. Research Report No: 137, US Salinity Laboratory, Riverside, CA, USA., 1-121.

Xu, M. and Y. Eckstein. 1995. Use of weighted least squares methods in evaluation of the relationship between dispersion and field scale. Ground water, 33(6): 905-908.

You, K. and H. Zhan. 2013. New solutions for solute transport in a finite column with distance-dependent dispersivities and time-dependent solute sources. Journal of Hydrology, 487: 87-97.

Zhou, L. Solute transport in layered and heterogeneous soils. 2002. Dissertation of Doctor of Philosophy, Department of Agronomy, Tsinghua University of Chinese, China, 1- 241.