ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE FAKULTA ŽIVOTNÍHO PROSTŘEDÍ Katedra vodního hospodářství a environmentálního modelování
Diplomová práce Modelace sanace ropné kontaminace pod areálem ČOV Hodonín Vedoucí práce: Ing. Michal Kuráž, PhD. Zpracovatel: Vítězslav Dvořák
Praha 2013
Prohlášení Prohlašuji, ţe jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, pod vedením Ing. Michala Kuráţe,
PhD.
Další
informace
mi
poskytli
Ing.
Daniel
Kahuda,
RNDr. František Pastuzsek, Mgr. Marek Petráček, Mgr. Ivo Černý, Mgr. Libor Pintér, Jaroslav Švolba a Petr Anton. Uvedl jsem všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpal.
V Praze 30. 3. 2013
Vítězslav Dvořák
Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat vedoucímu mé práce Michalu Kuráţovi za odborné vedení mé diplomové práce. Dále bych rád poděkoval Danielu Kahudovi a Františku Pastuzskovi za poskytnutí velmi uţitečných rad a veškeré ostatní pomoci při tvorbě modelů, Marku Petráčkovi, Ivu Černému, Liboru Pintérovi a Jaroslavu Švolbovi za poskytnutí dat a konzultací a Petru Antonovi za pomoc při sběru terénních měřeních.
V Praze 30. 3. 2013
Vítězslav Dvořák
Abstrakt Tato diplomová práce se zabývá matematickou modelací proudění podzemních vod a transportu kontaminace v horninovém prostředí na lokalitě čistírny odpadních vod města Hodonín za probíhající sanace starých ekologických zátěţí. V minulosti zde docházelo k hlubinné těţbě ropy, která měla za následek kontaminaci kvartérního kolektoru. V letech 2012 – 2014 má na cílové lokalitě probíhat sanace ropné kontaminace. Jednotlivé numerické modely popisují přirozené či sanačním zásahem vyvolané transportní procesy. Na základě výstupů jednotlivých matematických modelů je dále hodnocena efektivita sanačního zásahu. Klíčová slova: model, kontaminant, sanace, ČOV Hodonín, NEL, ropa
Abstract This thesis is focused on matematical modelling of the groundwater flow and transport of pollutants in the rock environment in the area of sewage treatment plant in Hodonín while the contaminated site remediation was going on. There was a deep mining of oil in the past, which resulted in contamination of quaternary collector. A remediation of petroleum contamination is supposed to be underway in years 2012, 2013 and 2014. Individual numerical models describe natural or remedial action, which are caused by transport operations. The effectiveness of decontamination is further evaluatedon the grounds of the matematical models outputs. Keywords: model, contaminant, pollutant, decontamination, ČOV, Hodonín, oil
Obsah 1. Úvod ....................................................................................................................................... 7 1.1 Cíle práce .......................................................................................................................... 7 1.1.1 Jednotlivé cíle práce .................................................................................................. 7 2. Rešerše.................................................................................................................................... 8 2.1 Kontaminace ..................................................................................................................... 8 2.2 Transport látek v horninovém prostředí ........................................................................... 9 2.2.1 Popis horninového prostředí ...................................................................................... 9 2.2.2 Základní vztahy proudění v horninovém prostředí .................................................. 10 2.2.3 Transport rozpuštěných látek................................................................................... 12 2.2.3.1 Konzervativní transport .................................................................................... 12 2.2.3.2 Nekonzervativní transport ................................................................................ 14 2.2.4 Vícefázové proudění (nemísitelné proudění - NAPL) ............................................. 16 2.3 Numerické řešení ............................................................................................................ 20 2.3.1 Metoda sítí ............................................................................................................... 20 2.4 Vyuţitý software............................................................................................................. 24 2.4.1 MODFLOW ............................................................................................................ 24 2.4.2 Visual MODFLOW ................................................................................................. 24 2.4.3 ArcGIS ..................................................................................................................... 24 2.4.4 Surfer 10 .................................................................................................................. 24 3. Modelové řešení ................................................................................................................... 25 3.1. Popis území ................................................................................................................... 25 3.1.1 Geomorfologické poměry ........................................................................................ 25 3.1.2 Klimatické poměry .................................................................................................. 25 3.1.3 Geologické poměry.................................................................................................. 26 3.1.4 Hydrogeologické poměry ........................................................................................ 27 3.1.5 Kontaminace lokality............................................................................................... 27
3.2 Metodika ......................................................................................................................... 28 3.2.1 Zpracování existujících dat ...................................................................................... 28 3.2.2 Doplnění existujících dat ......................................................................................... 28 3.2.3 Sestavení jednotlivých výpočetních modelů ........................................................... 28 3.2.4 Vizualizace .............................................................................................................. 29 3.2.4 Zhodnocení efektivity sanace a navrţení jejího vylepšení ...................................... 30 3.3 Návrh technického řešení sanace .................................................................................... 30 3.4. Vstupní data a parametry modelů .................................................................................. 31 3.4.1 Geometrie oblasti..................................................................................................... 31 3.4.1.1 Digitální model terénu ...................................................................................... 31 3.4.1.2 Strop kolektoru ................................................................................................. 32 3.4.1.3 Dno kolektoru ................................................................................................... 32 3.4.2 Nasycené hydraulické vodivosti .............................................................................. 32 3.4.3 Hladiny podzemních vod ......................................................................................... 32 3.4.4 Počáteční koncentrace NEL..................................................................................... 33 3.4.5 Zdroje znečištění...................................................................................................... 33 3.4.6 Distribuční koeficienty ............................................................................................ 33 3.4.7 Sanační objekty........................................................................................................ 33 3.4.8 Konstantní parametry .............................................................................................. 33 3.4.8.1 Infiltrace............................................................................................................ 33 3.4.8.2 Pórovitost .......................................................................................................... 33 3.4.8.3 Disperzivita....................................................................................................... 34 3.5 Koncept........................................................................................................................... 34 3.5.1 Stacionárního proudění podzemních vod ................................................................ 34 3.5.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod .................................. 34 3.5.1.2 Hydraulický model proudění podzemních za podmínek sanace....................... 35 3.5.2 Transport kontaminantu ........................................................................................... 36 3.5.2.1 Základní model transportu kontaminantu ......................................................... 36 3.5.2.2 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace....................................... 37
3.6 Okrajové a počáteční podmínky ..................................................................................... 37 3.6.1 Stacionárního proudění podzemních vod ................................................................ 37 3.6.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod .................................. 38 3.7.1.2 Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace................ 40 3.6.2 Transport kontaminantu ........................................................................................... 43 3.6.2.1 Základní model transportu kontaminantu ......................................................... 43 3.6.2.1 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace....................................... 45 3.7 Výsledky ......................................................................................................................... 47 3.7.1 Stacionárního proudění podzemních vod ................................................................ 47 3.7.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod .................................. 47 3.7.1.2 Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace................ 48 3.7.2 Transport kontaminantu ........................................................................................... 49 3.7.2.1 Základní model transportu kontaminantu ......................................................... 49 3.7.2.1 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace....................................... 50 3.8 Diskuse ........................................................................................................................... 52 3.8.1 Posouzení základního modelu proudění podzemních vod ....................................... 52 3.8.2 Posouzení modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace ........................ 52 3.8.3 Posouzení základního modelu transportu kontaminantu ......................................... 53 3.8.4 Posouzení modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace........................... 53 3.8.5 Návrh opatření pro zlepšení efektivity sanačního zásahu ........................................ 54 4. Závěr ..................................................................................................................................... 55 Seznam pouţité literatury ......................................................................................................... 57 Internetové zdroje ..................................................................................................................... 58 Seznam pouţitých zkratek ........................................................................................................ 60 Seznam obrázků........................................................................................................................ 61 Seznam tabulek ......................................................................................................................... 61 Seznam příloh ........................................................................................................................... 62
1. Úvod Do sedmdesátých let dvacátého století byla v území Dolnomoravského úvalu v okolí města Hodonín prováděna hlubinná těţba ropy. Při ekologicky nešetrné těţbě této suroviny docházelo k jejím pravidelným únikům do svrchních vrstev horninového prostředí, čímţ docházelo k jejich výrazné kontaminaci spojené s kontaminací podzemních vod, jeţ skrze tyto horniny protékaly. Po ukončení těţby byly těţební vrty zlikvidovány. Likvidace však byla neostatečná, díky čemuţ i nadále docházelo k úniku ropy do svrchních vrstev horninového prostředí. Kontaminace po těţbě ropy dotovaná ze špatně zlikvidovaných sond ohroţuje kvalitu podzemních vod v kvartérní tlakové zvodni, která je velmi důleţitým zdrojem pitné vody pro oblast Hodonínska. Z důvodu ochrany kvartérního kolektoru bylo Ministerstvem financí České republiky rozhodnuto o likvidaci těchto starých ekologických zátěţí. Ty jsou povětšinou likvidovány odtěţením kontaminovaných zemin a relikvidací ropných vrtů. Tento postup však nelze vyuţít k likvidaci šesti bývalých těţebních sond, nad kterými byla vybudována čistírna odpadních vod pro město Hodonín. Zde je nutné při likvidaci znečištění vyuţít kombinaci vybudování podzemní těsnící stěny bránící dalšímu rozšiřování kontaminace a sanačního čerpání, které má za úkol odčerpat zachycené zbytky po ropné těţbě. Má diplomová se zabývá tímto konkrétním případem a klade si za úkol vybudování výpočetních modelů, které popisují transportní procesy, probíhající přirozeně či za podmínek probíhající sanace v horninovém prostředí kvartérního kolektoru a v jeho nadloţí. Dále podle výstupů jednotlivých modelů posuzuje efektivitu sanačního zásahu a navrhuje moţná vylepšení jeho funkcí. Práce je zadána firmou VODNÍ ZDROJE, a.s. Jednotlivé výstupy jsou vyuţity v praxi při posouzení efektivity a řízení navrţeného sanačního zásahu.
1.1 Cíle práce Hlavním cílem této diplomové práce je výstavba stacionárních a nestacionárních výpočetních modelů popisujících proudění podzemních vod a s nimi spjatý transport ve vodě mísitelných částí ropného znečištění v kvartérním kolektoru pod areálem ČOV Hodonín a v jeho blízkém okolí za přirozeného stavu a za probíhajícího sanačního zásahu. Další cíle této práce jsou získání a zpracování vstupních dat, vizualizace modelových výstupů, zhodnocení efektivity sanace a návrh případného zefektivnění sanačního zásahu. 1.1.1 Jednotlivé cíle práce
Zpracování existujících dat, popisují geometrii a transportní charakteristiky sledovaného území
Doplnění existujících dat za pomoci nových terénních a laboratorních měření
Sestavení výpočetních transportních modelů
Vizualizace modelových výstupů
Zhodnocení efektivity sanačního zásahu a navrţení jeho případných vylepšení 7
2. Rešerše Tato kapitola popisuje teoretický základ, který slouţí jako podklad pro vytvoření praktické části mé diplomové práce. Konkrétně jsou zde postupně popsány informace týkající se modelace proudění vody a transportu kontaminantů v porézním prostředí včetně nejčastěji vyuţívaných numerických metod. Dále je zde základně popsán software, vyuţívaný při vypracování této práce. Kapitola je členěna do čtyř podkapitol. V první podkapitole jsou obecné informace, vysvětlující pojem kontaminace a popisující všechny druhy kontaminace v horninovém prostředí. Druhá podkapitola obsahuje základní matematický popis a vlastnosti proudění v porézním prostředí, včetně charakteristik porézního prostředí, matematický popis a vlastnosti transportu rozpustných a nerozpustných látek v porézním prostředí. Třetí podkapitola popisuje numerickou metodu sítí, která je vyuţita pro modelaci řešeného problému, dále pak explicitní a implicitní metodu, jeţ jsou v praxi při modelaci velmi často vyuţívány. Čtvrtá podkapitola obsahuje základní informace o softwaru vyuţitém při zpracování řešeného problému.
2.1 Kontaminace V případech kdy do podzemních vod unikly neţádoucí látky, jejichţ mnoţství překročilo povolené limity, dané příslušnou normou mluvíme o kontaminaci. Popis tohoto velmi sloţitého procesu je zaloţen na vzájemných interakcích fyzikálního, chemického a biologického základu. Zdroje dělíme podle tvaru a rozlohy na Bodové, Liniové, Maloplošné, Středněplošné a Velkoplošné. Podle působení znečištění v čase rozlišujeme Jednorázové zatížení a Trvalou zátěž, vedle nichţ rozlišujeme Znečištění z minulosti, současné a budoucí. Podle typu se kontaminanty rozlišují na: Organické látky (rozpouštědla, ropné látky, pesticidy), Anorganické látky (kovy, nitráty, ostatní anorganika), Biologické znečištění (bakterie, viry) a Radionuklidy. Chování kontaminantů z hlediska proudění a transportu látek pod povrchem se posuzuje ve styku s Vodou, Vzduchem a Horninovým prostředím. Voda – Posuzuje se, zdali jsou látky ve vodě Rozpustné nebo Nerozpustné (angl. zkratka NAPL). Rozpustné látky jsou rozlišovány podle toho, zdali spolu během transportu reagují nebo jsou inertní. Nerozpustné látky se rozlišují podle toho, zdali jsou lehčí nebo těžší neţli voda. Vzduch - Některé kontaminanty jsou Těkavé, coţ znamená, ţe se jejich molekuly uvolňují do vzduchu v pórech a pohybují se v něm. Půdní a horninové prostředí - V horninovém prostředí je nejdůleţitější dělení na Nasycenou (část půdního prostředí pod hladinou podzemních vod) a Nenasycenou zónu (část půdního prostředí nad hladinou podzemních vod). Podle typu šíření kontaminantu je rozlišován Konzervativní transport (nedochází při něm k reakcím) a Nekonzervativní transport (transport reagujících látek), (Císlerová & Vogel, 1998).
8
2.2 Transport látek v horninovém prostředí S transportními jevy v porézním prostředí se lze setkat v mnoha vědních disciplínách, jako jsou například inţenýrské stavitelství, technické chemii, managementu vodních zdrojů, zemědělství a vědách zabývajících se půdou (Bear & Buchlin, 1987). Tato kapitola postupně charakterizuje horninové prostředí, a dále popisuje základní matematické vztahy pro proudění vody mísitelný a nemísitelný transport v horninovém prostředí. 2.2.1 Popis horninového prostředí Porézní prostředí (horninové prostředí) je strukturou, sloţenou ze zrn nebo vláken pevné látky (matrice) mezi nimiţ je volný prostor (póry). Ten můţe být vyplněn plynem nebo kapalinou (Maryška et all., 2010). Příkladem takovéhoto prostředí mohou být písek, pískovec, půda, štěrk, jíl, krasový vápenec, ale i například průmyslové filtry. Jednotlivé sloţky, vyskytující se v horninovém prostředí nazýváme fáze. Jedná se o chemicky homogenní části prostoru, oddělenou od ostatních částí dobře definovanou fyzikální hranicí (Bear & Buchlin, 1987). Lze popsat několik důleţitých vlastností, které charakterizují dané fáze porézního prostředí. Vlastnosti pevných fází jsou: Zrnitostní složení – velikost poloměrů zrn a jejich zastoupení ve zkoumaném vzorku, Pórovitost n – podíl pórů v celkovém objemu, Permeabilita (propustnost) k – schopnost pórovitého prostředí propouštět tekuté fáze, která je závislá na geometrii a na vlastnostech povrchu pevné fáze, Měrný povrch – velikost povrchu pevných fází (Maryška et al., 2010). Pórovitost dále dělíme na celkovou – poměr objemu všech pórů a celkového objemu zeminy a efektivní – podíl pórového prostoru, který se můţe podílet na pohybu kapalin (Kutílek et al., 2004). Vlastnosti tekutých fází jsou: Hustota ρ a Dynamická viskozita μ. Vlastnosti fázového rozhraní jsou: Povrchové napětí σ a Úhel smáčivosti φ. S ohledem na moţné mezifázové přechody jsou důleţité i některé další parametry, jako je například Henryho konstanta KH – lineární vztah mezi molární koncentrací rozpuštěné látky v kapalině a parciálním tlakem její páry ve vzduchu. Procesy pohybu látek v porézním prostředí mohou být studovány na několika úrovních rozlišení: Molekulární měřítko – pohyb tekutých fází je určen pohybem jejich molekul, Mikroskopické měřítko – skutečná fáze, tvořená částicemi se nahrazuje představou kontinua (mikroprvky), Makroskopické měřítko – jednotlivé fáze se nahrazují vzájemně se překrývajícími makrokontinui, které spojitě vyplňují celou oblast a není potřeba zde sloţitě definovat hranice mezi nimi (Císlerová & Vogel, 1998). Základem pro spojitou reprezentaci je definice reprezentativního elementárního objemu B (dále REV). REV je objem dostatečně velký na to, aby pokryl mikroskopickou nehomogenitu a zároveň dostatečně malý vzhledem k rozměru zkoumané oblasti (Maryška et all., 2010).
9
2.2.2 Základní vztahy proudění v horninovém prostředí Matematické modelování reálné kapaliny je obecně popsáno sérií rovnic, vyplývajících z 2. Newtonova zákona o pohybu tekutin. Jedná se o aplikaci rovnice o zachování hmoty (rovnice kontinuity). Poprvé byly tyto rovnice definovány Louisem Navieurem a Georgem Stokesem, podle nichţ jsou pojmenovány jako Navieur – Stokesovy rovnice (Jain, 1976). Základní zákon pro proudění kapalin v horninovém prostředí popsal Henry Darcy (Darcy, 1856). Darcyho zákon je vyjádřen vztahem: (1) kde q [L*T-1] je hustota toku, H [L] je hydraulická výška, definovaná vztahem: (2) Zde je h tlaková výška a z je geodetický výškový vektor z = (0,0,z)T, a tedy
z = (0,0,1)T,
K [L*T-1] je hydraulická vodivost. Tento vztah je originálně definován pro stav, kdy jsou všechny póry zaplněny vodou, a tlaková výška je kladná. Později implementoval Edgar Buckingham tento vztah na nenasycenou (nesaturovanou) zónu, čímţ vznikl Darcy – Buckinghamův zákon. Ten je definován vztahem: (3) kde θ [-] je obsah vody (vlhkost) a K(θ) je funkce nenasycené hydraulické vodivosti. Vlhkost můţe nabývat hodnot od reziduální vlhkosti θr (vlhkost, při níţ v pórech neproudí ţádná voda) do maximální vlhkosti (saturované) θs (vlhkost, při které jsou všechny póry zaplněny vodou). Oba předešlé zákony jsou definovány pouze pro laminární proudění. Rozsah platnosti obou zákonů definován Reynoldsovým číslem, které má pro proudění v podzemních vodách tvar (Smetana in Kuráţ, 1957): (4)
kde Re [-] je Reynoldsovo číslo, které přiřazuje limit pro laminární proudění, de [L] je ekvivalentní velikost zrna a μ [L2*T-1] je hydrodynamická viskozita. Tenzor hydraulické vodivosti pouţitý v Darcy – Buckinghamově zákoně má tvar: (5)
kde x = (x1,x2,x3). Pokud pouţíváme tenzorový zápis pro nenasycenou hydraulickou vodivost, hodnota toku můţe být počítána po sloţkách: 10
(6)
Hydraulická
vodivost
je
závislá
na
vlastnostech
kapaliny
(hustota
ρ
[M*L-3]
a hydrodynamická viskozita μ [L2*T-1]) a na vlastnostech porézního prostředí (propustnost k [L2]), (Kuráţ, 2011). Je definována vztahem (Nutting, 1930): (7)
Před definicí neustáleného proudění, je třeba přesně definovat rozdíly, mezi nasycenou a nenasycenou zónou. Nasycená zóna (tzv. aquifer) můţe být definována jako zóna, ve které jsou všechny póry zaplněny vodou, a hydraulická vodivost je zde konstantní. V nasycené zóně platí následující podmínky: (8) kde KS je nasycená hydraulická vodivost a θS je plná saturace porézního prostředí. Darcy - Buckinghamův zákon je plně pouţitelný pro řešení stacionárního nenasyceného proudění, kdy dv/dx = 0 a dv/dt = 0, z čehoţ vyplývá, ţe d θ = 0. Řešení nestacionárního proudění je formulováno na základě vztahu mezi θ , q v čase a prostoru s pomocí rovnice kontinuity. Výsledná rovnice nestacionárního proudění za předpokladu nestlačitelnosti kapaliny má tvar: (9)
kde q je tok a V je objemová funkce. Obecná rovnice pro nestacionární proudění v porézním prostředí má tvar: (10)
kde x = (x1,x2,x3), S (x) [L-1] = koeficient specifické storativity. Jedná se o převodní hodnotu rozdílů tlakových výšek a rozdílů objemů vody ve zvodni a tak můţe být definována, jako S = dV/dh, Ψ [T-1] je propadový koeficient. Je – li porézní materiál heterogenní a K (x) je definována za pomoci tenzoru, můţe mít výraz ∂K33(x) / ∂x3 nenulovou hodnotu.
11
Pro charakterizaci nestacionárního proudění v porézním prostředí se pouţívá Richardsova rovnice. Jedná se o substituci objemové funkce a Darcy – Buckinghamova zákona, která je vyjádřena vztahem: (11)
kde tenzor hydraulické vodivosti K (x,θ) je funkce, závislá na vlhkosti θ, vlhkost θ závislá na tlakové výšce h, funkce hydraulické vodivosti definována jako K (θ) a Ψ [T-1] je propadový koeficient (Kuráţ, 2011). Tuto rovnici lze přepsat (Kutílek et all., 2004). 2.2.3 Transport rozpuštěných látek Je – li se znečišťující látka (kontaminant) rozpustná ve vodě, pak se transport kontaminantu nazývá transport rozpuštěných látek (nebo také o mísitelný transport). Ten je dále moţné dělit podle toho, zdali dochází k transportu nereagujících (případně málo reagujících látek) nebo reagujících látek. Při transportu nereagujících nebo málo reagujících látek jde o Konzervativní transport, při transportu reagujících látek jde o nekonzervativní transport. Dochází - li ke změnám uvnitř fází, jsou tyto změny nazvány interními transformacemi. Pokud přecházejí látky z jedné fáze do druhé, jsou změny označeny jako externí transformace (Císlerová & Vogel, 1998). 2.2.3.1 Konzervativní transport Základní procesy ovlivňující konzervativní transport látek jsou advekce (konvekce) a hydrodynamická disperze (Maryška et all., 2010). Advekce je transport rozpuštěných látek vyvolaný vlastním pohybem vody (Bear & Buchlin, 1987). Hydrodynamická disperze je jev způsobující rozptylování rozpuštěné látky (Císlerová & Vogel, 1998). Jedná se o souhrn 2 procesů: molekulární difuze a mechanické disperze (Maryška et al., 2010). Molekulární difuze je část transportu, způsobená náhodným pohybem molekul v kapalině, který je vytvořen na základě rozdílného gradientu koncentrací v prostoru (částice se pohybují z míst s vyšší koncentrací do míst s niţší koncentrací). Mechanická disperze je makroskopická veličina, která je způsobená mikroskopickými ději, vznikajícími při pohybu kapaliny přes porézní prostředí (Bear & Buchlin, 1987). Advekční tok je určen makroskopickou koncentrací kontaminantu a ve fázi α – caα a makroskopickou rychlostí pohybu fáze α - qα (Kuráţ, 2011). (12)
12
Dojde – li k bodovému znečištění, je těţiště koncentračního mraku kontaminantu unášeno advekční rychlostí qα. Zbytek mraku se v důsledku působení disperze po proudu zrychluje a proti proudu zpomaluje. Disperzní tok je dán součinem: (13) kde qa je makroskopická rychlost a waα je relativní rychlost sloţky a vzhledem k fázi α. Celkový tok sloţky a ve fázi α je součtem advekčního a disperzního toku. Přes bilanci hmotnosti sloţky za pouţití Fickova zákona je získána advekčně disperzní rovnice (ADE), která je řídící rovnicí konzervativního transportu. Výsledný tvar této rovnice, kterému říkáme obecný tvar ADE je: (14)
kde Daα je koeficient hydrodynamické disperze, εα je objemový podíl fáze α, caα je makroskopická koncentrace rozpuštěné látky a ve fázi α. Po zjednodušení dostáváme tvar: (15)
Tenzor hydrodynamické disperze D [m2/s] je definován prostým součtem tenzoru molekulární difuze Dm a tenzoru mechanické disperze Df. Pro izotropní pórovité prostředí má tenzor molekulární difuze tvar: (16) (17) kde Dm je koeficient molární difuze, τ je koeficient tortuozity a I je jednotkový tenzor (Císlerová & Vogel, 1998). Tenzor tortuozity leze vyjádřit s pomocí vztahu: (18)
kde θS je plná saturace půdy a θ je vlhkost (Millington & Quirk, 1961). Tenzor mechanické disperze lze v izotropním prostředí za aplikace předpokladu příčné symetrie vyjádřit vztahem: (19)
kde αT a αL [m] jsou koeficienty příčné a podélné disperzivity, q je makroskopická rychlost pohybu fáze a q je velikost vektoru q (Císlerová & Vogel, 1998). Pro určení poměru vlivu molekulární difuze a mechanické disperze se poţívá Pécletovo číslo, které má tvar: 13
(20)
kde q[L*T-1] je střední pórová rychlost roztoku, d [L] je charakteristická velikost zrna a Dm[L2*T-1] je koeficient molekulární difuze. Malé Peclétovo číslo (Pe < 0.01) odpovídá převládajícímu vlivu molekulární difuze, velké Peclétovo číslo (Pe > 104) odpovídá převládající mechanické disperzi. Při běţných případech se molekulární difuze zanedbává pro Pe > 20 (Maryška et all., 2010). 2.2.3.2 Nekonzervativní transport Reaguje – li kontaminant (chemicky či biologicky), dochází ve srovnání s konzervativním prouděním k zeslabení (nebo zesílení) koncentrace rozpuštěných látek. Nejčastěji jsou tyto změny způsobeny radioaktivním rozpadem, biodegradací a chemickými reakcemi, mezi které patří: oxidace, redukce, acidobázické procesy, sráţení rozpouštění, tvorba komplexů, sublimace a hydrolýza (Hokr, 2005). Pro tyto případy se do rovnic popisujících změny koncentrací v čase přidávají členy, popisující reakce uvnitř kapalné fáze. Transformace a degradace jsou vyjádřeny v transportní rovnici jako reakční členy za pomoci zdrojů a propadů. Intenzita zdrojů a propadů odpovídá intenzitě vzniku nebo zániku hmoty kontaminantu. ADE je upravena následovně: (21)
kde P je produkční člen, zastupující zdroje a propady. Příspěvek zdrojů je kladný, příspěvek propadů záporný. Zdroje a propady můţeme klasifikovat buďto z hlediska bilance uvnitř báze nebo z hlediska chemické rovnováhy. Z hlediska bilance uvnitř báze jsou zdroje a propady klasifikovány na interní (homogenní chemické reakce mezi rozpuštěnými látkami) a externí (heterogenní reakce, způsobující mezifázovou výměnu, různé formy extrakce a injekce). Z hlediska chemické rovnováhy se dělí zdroje a propady na děje, vyvolané nerovnovážnými reakcemi a děje vyvolané rovnovážnými reakcemi. Interní reakce jsou vyjadřovány pomocí rychlostních koeficientů. Ty jsou závislé na dalších proměnných (např. obsah organických látek, vlhkost, teplota). Mezifázové interakce je většinou nutné chápat ve vztahu k rychlostem prodění jako velmi rychlé (Císlerová & Vogel, 1998). Jde o zachycování (ulpívání) migrující látky na povrchu pevné fáze (adsorpce) a její zpětné uvolňování do roztoku (desorpce). Obdobný charakter mají téţ rozpouštěcí a sráţecí reakce. Souhrnně nazýváme tento jev sorpcí. Mnoţství látky adsorbované pevnou fází je většinou funkcí koncentrace roztoku, která se určuje experimentálně a nazývá se sorpční izoterma. Nejčastěji se pro aproximaci vyuţívají: lineární izoterma, Freundlichova izoterma (Hokr, 2005). Za předpokladu, ţe se sorpce účastní dvě fáze (voda a pevná fáze) musíme pouţít obecný tvar ADE, kde index sloţky a nahradíme hvězdičkou, protoţe se nám jedná pouze o sorpci jedné konkrétní látky. Pro transport sorbující látky tedy platí rovnice:
14
(22)
kde pro mnoţství adsorbované látky na povrch pevné části platí: (23)
přičemţ c*s je makroskopická koncentrace látky v matrici a εs = 1 – εw je objemový podíl matrice v pórovitém prostředí (Císlerová & Vogel, 1998). Nejjednodušším typem sorpce je lineární sorpce, vyjádřená vztahem: (24) kde c*S je koncentrace adsorbovaná na bázi, kD = ρSKD je distribuční koeficient, ρS je hustota pevné fáze a KD je sorptivita prostředí (Císlerová & Vogel, 1998) nebo také kD = KDfOC, kde fOC je celkový obsah uhlíku, rozpuštěného ve vodě (Rippelová et al., 2009). Freundlichova izoterma má tvar: ,
(25)
kF a a jsou koeficienty Freundlichovy izotermy (Hokr, 2005). Dosazením lineární izotermy, rovnice pro transport sorbující se látky a vzorce pro mnoţství adsorbované látky na povrch pevné části je získána rovnice: (26)
Tato rovnice je dále upravena zavedením retardačního faktoru na: (27)
kde R je retardační faktor, pro nějţ platí (pokud n = 1): (28)
Výsledná rovnice má pouze jednu neznámou. Tou je koncentrace rozpuštěné látky ve vodě c*w. Díky tomu je řešitelná přímo.
15
Injekce je jedním ze způsobů, jakým se můţe dostat chemická látka do vody z vnějšku. Opačným procesem je extrakce. Oba procesy můţeme dělit na Injekci/Extrakci čisté vody a Injekci/Extrakci roztoku. U extrakce nebo injekce čistého roztoku nabývá produkční člen P nulové hodnoty, protoţe změna koncentrace c je kompenzována změnou θ (koncentrace látky c se v pórovitém prostředí mění, nemění se však koncentrace ĉ = θc). Produkční člen představuje změnu koncentrace ĉ nikoliv c. Pro extrakci roztoku platí vzorec: (29) kde S [T-1] je intenzita extrakce a ce je koncentrace látky v extrahované kapalině. Opačným procesem pro extrakci roztoku je injekce roztoku, pro kterou platí vzorec: ,
(30)
kde S [T-1] je intenzita injekce a ci je koncentrace látky v injektované kapalině; (Císlerová & Vogel, 1998). 2.2.4 Vícefázové proudění (nemísitelné proudění - NAPL) Jedná se o souběţný pohyb vody a jedné nebo více nemísitelných tekutých fází (např. proudění vody a vzduchu). Tyto látky jsou nazývány anglickou zkratkou NAPL. Pro NAPLy je charakteristické fázové rozhraní, které se vytváří mezi nimi a vodou na základě odlišných fyzikálně chemických vlastností. NAPLy dělíme LNAPLy (látky lehčí neţ voda) a DNAPLy (látky těţší neţ voda). Pohyb NAPLů je ovlivněn kombinací mnoha procesů. Jedná se o procesy vyvolané převáţně působením gravitačních a kapilárních sil. Nenarazí – li NAPL na nepropustnou vrstvu, nad kterou začne vytvářet hladinu, pohybuje se směrem k hladině podzemní vody (dále HPV), (Císlerová & Vogel, 1998). Pro LNAPLy platí, ţe se po dosaţení HPV pohybují horizontálně ve směru proudění podzemní vody a tvoří zde buďto čočkovité (je – li mnoţství NAPLů větší, dochází k jeho mírnému zaboření) nebo plackovité útvary (je – li mnoţství NAPLů menší), (Panday et all., 1997). Vlivem kolísání HPV a infiltrace ze sráţek dochází k uvolňování rozpustných sloţek, které vytvoří sekundární znečištění pohybující se vody. Další formou šíření kontaminace je vypařování látek do půdního vzduchu (Císlerová & Vogel, 1998). Pohyb DNAPLů je charakteristický tím, ţe DNAPL, který je těţší neţli voda klesne aţ na dno kolektoru, kde se pohybuje vlivem gravitačního potenciálu a vlivem sil, které jsou vyvolány okolním prouděním. Navíc se malá část kaţdého NAPLu rozpustí ve vodě (v nasycené i v nenasycené zóně) a tvoří zde tzv. kontaminační mrak (Panday et all., 1997). Na obrázcích 2.1 a 2.2 je vidět pohyb LNAPLu a DNAPLu v porézním prostředí.
16
Obrázek 2.1 Proudění LNAPLu (Panday et al., 1997)
Obrázek 2.2 Proudění DNAPLu (Panday et al., 1997) Mezi nejdůleţitější vlastnosti NAPLů, nutných pro popis proudění transportu patří: hustota, teplota (obě závislé na teplotě), mezifázové napětí, smáčivost a povrchové napětí. Hustota je pro vodu většinou rovna 1000 kg/m3. Je – li hustota NAPLu niţší, neţli hustota vody, jedná se o LNAPL. V opačném případě kdy je hustota NAPLu vyšší neţ hustota vody se jedná o DNAPL. Hustota většiny látek klesá s rostoucí teplotou. Tento jev můţe mít někdy za následek, ţe při zvýšení teplot v NAPLu se můţe stát z DNAPLu LNAPL a naopak (Newel et all., 1993). Je – li hustota modelována, je většinou vyjádřena jako funkce tlaku (Pope et all., 1999). Dynamická viskozita je odpor tekutiny při proudění. Stejně jako hustota pro většinu látek s rostoucí teplotou klesá (Císlerová & Vogel, 1998). Dále je viskozita závislá na hustotě a salinitě NAPLu (Pope et all., 1999). S rostoucí viskozitou klesá hydraulická vodivost (Newel et all., 1993). Mezifázové napětí je způsobeno rozloţením energie na rozhraní dvou fází (Císlerová & Vogel, 1998), které vyplývá z rozdílů v silách molekulární přitaţlivosti v rámci tekutin na jejich na rozhraních. Čím větší je mezifázové napětí, tím stabilnější je rozhraní mezi fázemi. Smáčivost je schopnost kapalin přilnout přednostně k povrchu dané pevné fáze, za přítomnosti jiných nemísitelných tekutých fází, popisovaná smáčecím úhlem υ (Newel et all., 17
1993). Jednotlivé tekuté fáze se popisují podle jejího pořadí. Daná kapalina můţe být pro různé povrchy pevných materiálů smáčivá i nesmáčivá. Tato vlastnost je ovlivněna hlavně chemickým sloţením NAPLu a vodních roztoků, přítomností organických látek a rozpouštědel a mineralogickým sloţením látek. Souvisí s reziduální nasyceností jednotlivých fází, coţ je nasycení, při kterém se NAPL přestává prakticky pohybovat (Newel et all., 1993). Souvislá fáze NAPLu se zde stává nespojitou a vlivem působení kapilárních sil nepohyblivou. Reziduální nasycení NAPLy se je následně zdrojem dlouhodobého znečištění. Velikost reziduálního nasycení závisí na mezifázových napětích, poměru viskozit a hustot jednotlivých fází, v kombinaci s hydraulickými gradienty a se směrem a rychlostí proudění kaţdé přítomné fáze. Je také zatíţeno značnou hysterezí. Obecně platí, ţe pro nasycenou zónu je reziduální nasycenost vyšší, neţli pro nenasycenou zónu. Tento jev je vysvětlován dvěma důvody: Přítomnost NAPLu v nenasycené zóně jako smáčivé fáze ve vztahu ke vzduchu má za následek zadrţení NAPLu v malých pórech, přítomnost NAPLu v nasycené zóně jako nesmáčivé fáze má za následek zanášení větších pórových prostor vlivem přítomnosti této fáze ve formě nepohyblivých kapek. Díky poměrně velikému rozdílu mezi hustotou NAPLu a hustotou vzduchu dochází u nenasycené zóny ke gravitační drenáţi NAPLu snáze, neţli u nasycené zóny. Sloţky NAPLu mohou reagovat s dalšími přítomnými tekutými fázemi. Stejně tak mohou sloţky NAPLu reagovat s pevnou fází. V nenasycené zóně mohou být kontaminovány všechny čtyři přítomné fáze, v nasycené zóně všechny tři přítomné fáze (Císlerová & Vogel, 1998). Distribuce NAPLů je funkcí vlastností tekutiny vlastností porézního prostředí a systému zprostředkované historie (Newel et all., 1993). Pro matematický popis proudění NAPLů je třeba odlišit, jedná – li se o LNAPL nebo o DNAPL. Nejjednodušším případem pohybu NAPLu v porézním prostředí je proudění, při němţ NAPL sdílí prostředí pouze se vzduchem. Zde se jedná o dvoufázový systém, který je analogický k systému, zavedenému Richardsem pro vodu. Pro kapilární tlak v porézním prostředí, za přítomnosti NAPLu platí: ,
(31)
kde ha = pa /(ρw0g) je tlaková výška vzduchu a hN = pN /(ρw0g) je tlaková výška NAPLu. Pro vztah mezi kapilární tlakovou výškou a kapilární elevací eaN pro kruhovou kapiláru ponořenou na spodním konci do kapaliny platí: (32)
18
Retenční křivka NAPLu je závislostí mezi kapilární tlakovou výškou a stupněm nasycení porézního prostředí NAPLem. Vztah mezi retenčními křivkami pro vodu a NAPL je vyjádřen rovnicí: (33)
kde stupeň nasycení S = Sw = SN je stejný v obou křivkách. Vztah mezi hydraulickou vodivostí a permeabilitou je: (34)
přičemţ k (S) [L2] je permeabilita, nezávislá na vlastnostech tekutých fází a μN [L2*T-1] je dynamická viskozita NAPLu. Je zřejmé, ţe pro všechny kapaliny se bude relativní hydraulická vodivost rovnat relativní permeabilitě, coţ je dáno vztahem: (35)
Dalším o trochu sloţitějším systémem je systém třífázový (voda – NAPL - vzduch). Při popisu třífázového proudění je pro jednoduchost předpokládána nestlačitelnost jednotlivých sloţek. V třífázovém systému se vyskytuje tzv. Hierarchie smáčivosti. Smáčivost je totiţ nepřímo úměrná kontaktnímu úhlu. Pro systém voda (w), NAPL (N), vzduch (a) je obvykle hierarchie dána relací: (36) coţ znamená, ţe voda bude zaplňovat vţdy nejmenší, NAPL prostřední a vzduch největší póry. Z toho plyne, ţe v místech, kde jsou přítomny všechny 3 fáze, by nemělo existovat rozhraní vzduch – voda. Co se týče kapilárních tlaků, jsou pro systém w – N - a definovány tři tlakové výšky: (37) kde kapilární výška haw se uplatní pouze v místech, kde není přítomen NAPL. K popisu nasycenosti třífázového systému jsou potřeba dvě funkce: (38) kde Sl = Sw + SN je stupeň nasycení oběma kapalinami dohromady. V místech, kde není NAPL přítomen platí Sl = Sw = S (haw). Dále musí platit vztahy SN = Sl – Sw , Sa = 1 – Sl .
19
Relativní hydraulické vodivosti lze určit na základě znalosti dvoufázového systému w – a. Za pouţití Mualemova vztahu je získáno:
(39)
kde Kαs jsou jednotlivé nasycené hydraulické vodivosti pro dané tekutiny. Soustava řídících rovnic třífázového proudění je popsána s pomocí tří rovnic. Jejich tvar je: (40) . kde εα = nSα (n = pórovitost), (Císlerová & Vogel, 1998).
2.3 Numerické řešení Numerickou úlohou je rozuměn jasný a jednoznačný popis vztahu mezi konečným počtem vstupních a výstupních dat (reálných čísel). Podstatná je přitom konečnost vstupního a výstupního souboru, která ve svém důsledku umoţňuje při řešení pouţít počítač. Postupy řešení numerických úloh se pak nazývají numerické nebo počítačové metody (Kučera, 2008). V následující části textu je popsána metoda sítí, která je vyuţita pro řešení problematiky mé diplomové práce, dále pak explicitní a implicitní metoda. 2.3.1 Metoda sítí Princip metody sítí je zaloţen na nahrazování derivací v diferenciálních rovnicích příslušnými diferenčními podíly. Konkrétně jsou zde vytyčeny uzlové body, ve kterých jsou parciální derivace nahrazeny diferenčními podíly. Daná problematika je vysvětlena na příkladu, kde je uvaţován na obdélníku G = (0,l1) x (0,l2) s hranicí Γ problém: (41) (42)
kde
je Laplaceův operátor, f je daná funkce v G a g je daná funkce na Γ (Rektorys, 1997). Laplaceův
operátor má tvar (Melkes & Řezáč, 2007): (43)
20
Na oblasti G je sestavena taková obdélníková síť (viz obrázek 2.3), ţe se interval <0,l1> je rozdělen na čtyři podintervaly délky h = l1 / 4 a interval <0,l2> je rozdělen na tři podintervaly délky k = l2 / 3. Tato síť obsahuje 6 vnitřních uzlových bodů u1,…, u6, coţ jsou hledané hodnoty tzv. síťového řešení v těchto bodech. Ve 14 tzv. hraničních uzlových bodech na hranici Γ jsou hodnoty funkce u známé – jsou dány hodnotami g1,…, g14, funkce g v těchto bodech. Pro získání hodnot u1,…, u6 je třeba nahradit v kaţdém z vnitřních uzlových bodů kaţdou Poissonovu rovnici příslušnou diferenční rovnicí.
Obrázek 2.3 Metoda sítí (Rektorys, 1997) Místo derivací: (44)
jsou v jednotlivých vnitřních bodech získány postupně získány následující rovnice:
(45) ………… …………………… …………………… …
kde f1,…,f6 jsou hodnoty funkce f v bodech 1, …, 6. Výše zmíněným postupem byla získána soustava 6 - ti rovnic o 6 - ti neznámých u1,…, u6, která je jednoznačně řešitelná. Byla dostána aproximace řešeného problému ve vnitřních bodech zvolené sítě (Rektorys, 1997).
21
2.3.2 Explicitní schéma Je znám problém, kdy: (46) (47) (48) (49)
Obrázek 2.4 Explicitní schéma (Rektorys, 1997) Na oblasti G je sestavena taková obdélníková síť (viz obrázek 2.4), ţe se interval <0,l> rozdělí na i podintervalů délky h = l / i a interval <0,T> se rozdělí na j podintervalů délky k = T / i. u1, u2, u3, u4 jsou hodnoty síťového řešení. V bodě u2 je nahrazena základní rovnice rovnicí diferenční: (50)
odkud je odvozen konečný vzorec pro výpočet hodnoty u4: (51)
Hodnoty a2, k a h jsou známá čísla, stejně, jako hodnoty u1, u2 a u3. Uţitím diferenční náhrady je získána hodnota u4, díky čemuţ se tomuto schématu říká explicitní. Hodnoty v prvním řádku sítě (pro t = 0) jsou dány funkcí g. Podle předchozího vzorce jsou vypočítávány hodnoty všech vnitřních bodů „druhého řádku“ (pro t = k). V krajních bodech jsou hodnoty tohoto řádku dány funkcemi h1 a h2. Tímto způsobem byly získány hodnoty celého druhého řádku, takţe je moţné posunout se o řádek výš a z pomocí předchozího schématu vypočítat hodnoty třetího řádku z hodnot řádku druhého. V krajních bodech třetího řádku jsou hodnoty opět určeny funkcemi h1 a h2.
22
Takto se postupuje aţ do ukončení výpočtu v čase t = T. Je – li splněna podmínka: ,
(52)
je zaručena stabilita numerického procesu. Aby byla splněna tato podmínka je potřeba nastavit dostatečně malý časový krok, coţ můţe značně zpomalit výpočet (Rektorys, 1997). 2.3.3 Implicitní schéma
Obrázek 2.5 Implicitní schéma (Rektorys, 1997) Na rozdíl od explicitního schématu implicitní schéma nevyţaduje dostatečně krátký časový krok. Chceme – li vypočítat hodnotu síťového řešení u2 , nahradíme danou diferenciální rovnici diferenční rovnicí v tomto bodě, a ne v odpovídajícím bodě předchozího řádku jako u explicitního schématu. Podle označení z obrázku 2.5 je získán vzorec: (53)
Zde jsou neznámé i hodnoty u1 a u3. Pro určení všech hodnot síťového řešení je třeba napsat diferenční rovnice analogické výše uvedené rovnici i pro body u1, u3 a u4. Tímto postupem j získána jednoznačně řešitelná soustava čtyř rovnic o čtyřech neznámých u1,…, u4. Zde zůstávají zachovány všechny podstatné vlastnosti, týkající se stability a konvergence procesu bez ohledu na to, je – li splněna podmínka pro zaručení stability procesu u explicitního schématu. Díky tomu lze libovolně měnit časový krok. Zato je ovšem nutné řešit příslušnou soustavu rovnic. Obecně lze říci, ţe pouţití implicitního schématu je výhodnější, pokud je k dispozici podprogram pro řešení soustav lineárních rovnic (Rektorys, 1997).
23
2.4 Využitý software 2.4.1 MODFLOW MODFLOW modulární třídimenzionální model proudění podzemní vody v nehomogenním anizotropním prostředí. Tento model vyuţívá výše zmíněnou metodu sítí (konečných diferencí) a řeší vodorovné proudění pro jednotlivé zvodně (s napjatou či volnou hladinou) zvlášť. Vzájemná interakce mezi jednotlivými vrstvami umístěnými vertikálně nad sebou je řešena vertikálním přetokem z jedné vrstvy do druhé. Tento model je součástí komerčního softwaru Visual MODFLOW (Valentová, 2007). 2.4.2 Visual MODFLOW Visual MODFLOW je komerční software, skládající se z volně šiřitelných výpočetních modulů a původního uţivatelského rozhraní (Černý, 2009). Program je v této práci vyuţit pro vlastní modelaci mísitelného transportu znečištění na sledovaném území a pro modelaci hydrogeologický změn vyvolaných dlouhodobým čerpáním ze sanačních vrtů a vybudování hydrogeologické bariéry. 2.4.3 ArcGIS ArcGIS je komerční GIS software slouţící k řešení vytváření a správě geografických dat vyvinutý firmou ESRI (ESRI, 2012). Program je v této práci vyuţit pro interpolace naměřených hodnot, editace dat a vizualizace výsledků. 2.4.4 Surfer 10 Surfer 10 je komerční software, vyvinutý firmou GOLDENSOFTWARE, slouţící k terénnímu i hloubkovému modelování, vizualizaci krajiny, povrchovým analýzám, 3D povrchovému mapováni a gridingu (GOLDENSOFTWARE, 2012) Program je v této práci vyuţit pro interpolace naměřených hodnot a vizualizace výsledků.
24
3. Modelové řešení Tato kapitola popisuje praktickou část mé diplomové práce. Je členěna celkem do osmi hlavních podkapitol. První podkapitola popisuje modelové území a to z hlediska geomorfologických, klimatických, geologických, hydrogeologických a kontaminačních poměrů. Druhá podkapitola znázorňuje zjednodušený metodický postup pouţitý při tvorbě praktické části mé diplomové práce. Třetí kapitola popisuje technický návrh modelovaného sanačního zásahu. Obsah čtvrté kapitoly se týká vstupních modelových dat. V páté podkapitole je popsán koncept jednotlivých modelů. V šesté kapitole jsou definovány okrajové a počáteční podmínky jednotlivých modelů. Sedmá kapitola je věnována výstupům jednotlivých modelů, v osmé kapitole jsou tyto výstupy diskutovány a je zde navrţeno moţné zefektivnění posuzovaného sanačního zásahu.
3.1. Popis území 3.1.1 Geomorfologické poměry Modelové území se nachází cca 500 m jihozápadně od intravilánu města Hodonín, konkrétně na severovýchodním břehu původního koryta řeky Moravy a v okolí čistírny odpadních vod města Hodonín (dále ČOV). Jeho nadmořská výška se pohybuje mezi 158 – 164 m. n. m. Geomorfologicky území náleţí do Jihomoravské pánve Dolnomoravského úvalu, která je nejsevernějším výběţkem Vídeňské pánve. Konkrétně území spadá do údolní nivy řeky Moravy, charakteristické nízkými terasami podél řeky a plochou akumulační rovinou (Kouřil, 1970). Podcelek Dyjsko-moravská niva, ve které se modelové území nachází, sousedí na východě s Vizovickou vrchovinou, Záhorskou níţinou a Bílými Karpaty, a na západě hraničí s Dyjsko-moravskou pahorkatinou. Dyjsko-moravská niva je akumulační oblast, která má hydrografickou osu řeku Moravu při průměrné šířce 3 km. Řeka Morava v údolní nivě sloţitě meandruje. Zbytky starých ramen Moravy tvoří deprese (Košuličová et al., 2010). Výplň území tvoří především mladoterciérní a kvartérní sedimenty. Model se konkrétně zabývá prouděním v kvartérních sedimentech (Kouřil, 1970). 3.1.2 Klimatické poměry Podle klimatologické regionalizace Moravce a Votýpky (1998) spadá zájmové území do třetí třídy klimatické regionalizace. Ta je charakteristická velmi dlouhým, velmi teplým a velmi suchým létem, velmi krátkým přechodným obdobím s teplým jarem i podzimem, velmi krátkou, teplou, suchou aţ velmi suchou zimou s velmi krátkým trváním sněhové pokrývky (Košuličová et al., 2010). Podle klimatologické regionalizace Quitta (1971) spadá zájmové území do oblasti teplé (Kouřil, 1970). Dlouhodobá průměrná roční teplota v Hodoníně je přibliţně 9,4 °C. Dlouhodobá průměrná roční teplota ve Stráţnici je přibliţně 8,9 °C, přičemţ dlouhodobé měsíční průměrné teploty na této stanici jsou znázorněny v tabulce 3.1. Dlouhodobé průměrné roční sráţkové úhrny v Hodoníně činí 573 mm. Roční úhrny sráţek ve Stráţnici za období 2002 – 2008, které se pohybují v rozmezí 584, 2 mm aţ 785 mm jsou znázorněny v tabulce 3.2 (Košuličová et al., 2010). 25
Tabulka 2.1 Průměrné měsíční teploty vzduchu ve °C za období 1951 - 1980, měřené ve Strážnici I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
IX.
X.
XI.
XII.
-1,8
-0,1
3,8
9
13,7
17,2
18,4
17,9
14,2
9,1
4,6
0,5
Tabulka 2.2 Úhrny srážek v mm za období 2002 – 2008, měřené ve Strážnici rok
I.
II.
III.
IV.
V.
VI.
VII.
VIII.
X.
XI.
XII.
ročně
2002 25,4
65,0
28,8
38,9
47,8
86,9
85,6
108,7 59,8
92,1
51,2
46,4
736,6
2003 58,8
12,9
14,6
40,1
74,6
27,0
105,4 30,8
35,8
75,2
34,0
75,0
584,2
2004 60,8
55,6
52,3
40,8
42,3
104,9 49,8
47,2
66,7
71,2
25,0
667,5
2005 70,2
66,5
26,9
52,3
88,8
53,4
112,5 106,8 31,0
9,0
49,6
99,7
766,7
2006 45,1
59,4
71,0
87,2
97,2
80,1
26,3
154,5 18,5
26,6
64,8
33,9
764,6
2007 80,2
41,0
73,4
5,0
78,8
91,1
72,0
72,5
125,1 48,4
63,6
33,9
785,0
2008 43,8
27,5
64,0
43,6
75,9
58,1
102,0 74,4
56,9
38,3
37,7
653,7
50,9
IX.
31,5
3.1.3 Geologické poměry Vzhledem rozsahu modelové oblasti je popis geologických poměrů omezen pouze na svrchní kvartérní sedimenty. Ty jsou tvořeny fluviálními sedimenty pleistocenního stáří. Jejich podklad tvoří neogenní sedimenty, jejichţ strop se nachází průměrně 8,5 m pod terénem. Fluviální sedimenty jsou tvořeny písky, písčitými štěrky a štěrky, které jsou překryty hlinitopísčitými povodňovými hlínami. Mocnost písčitých štěrků a štěrků je 5 - 12 m a jejich strop se nachází cca 3 m pod terénem. Štěrky mají dobře opracované valouny o průměrné velikosti 1 - 3 cm. Matrice je tvořena jemně aţ hrubě zrnitým pískem. Přechodnou vrstvu mezi štěrkopísky a nadloţními povodňovými hlínami jílovité jemné písky a jíly. Mocnost těchto vrstev se pohybuje v rozmezí 0,5 - 3,6 m. Povrchovou vrstvu tvoří fluviální jílovité povodňové hlíny a jíly. Jejich mocnost kolísá v rozmezí od 1,0 m do 4,5 m. Průměrné mocnosti jsou cca 2,8 m (Košuličová et al., 2010). Pro písčité štěrky a štěrky je charakteristická jejich čistota od jílovitých a hlinitých příměsí. Petrografické sloţení souvrství štěrkopísků odpovídá petrografickému sloţení hornin, budujících povodí Moravy. Jedná se hlavně o pískovce a křemeny, méně pak o droby, ţuly a ruly (Kouřil, 1970).
26
3.1.4 Hydrogeologické poměry Modelové území náleţí hydrogeologickému rajonu č. 1652 – Kvartér soutokové oblasti Moravy a Dyje. Tento rajon je charakteristický fluviálními sedimenty s vysokou transmisivitou v říčních terasách (na nichţ se nachází zájmové území), která dosahuje hodnot nad 1x10 -4 m2/s. V údolní nivě vytvářejí povodňové hlíny nadloţní izolátor s mocností aţ 5 metrů. Hladina podzemních vod je v údolní nivě vlivem nadloţního izolátoru mírně napjatá a po ustálení dosahuje hodnot 1,5 – 3,5 metrů pod terénem. Z hydrochemického hlediska se jedná o podzemní vody typu Ca-Mg-HCO3-SO4, jejichţ průměrná mineralizace se pohybuje v rozmezí od 0,3 do 1 g/l (Košuličová et al., 2010). Celkové chemické sloţení je ovlivněno příronem podzemních vod z podloţních kolektorů, coţ se projevuje hlavně zvýšeným obsahem síranů a celkové mineralizace (Krásný et al., 2012). Štěrkopísky, tvořící modelovaný kolektor, jsou velmi dobře průlinově propustné (Kouřil, 1970). Jejich nasycená hydraulická vodivost se pohybuje v řádech 1x10-3 – 1x10-4 m/s. Hlavní drenáţní bází, která odvodňuje modelovaný kolektor je původní koryto řeky Moravy, přičemţ kolektor je zde hydraulicky přímo propojen s říčním korytem. Hlavní směr proudění podzemních vod je ve směru severovýchod – jihozápad (Košuličová et al., 2010). Svrchní izolátor povodňových hlín zapříčiňuje nízkou infiltraci v místech blízko řeky. Kolektor je tedy dotován z oblastí vzdálenějších od koryta Moravy, kde je přímo propojen s povrchem (Krásný et al., 2012). 3.1.5 Kontaminace lokality Modelové území je součástí projektu starých ekologických zátěţí, pocházejících z nedostatečně zlikvidovaných sond po těţbě ropy a zemního plynu. Jedná se o lokalitu, na které se nachází celkem sedm starých ropných sond H7, H8, H41, H42, H43, H45 a H56, pocházejících ze 70 let. Po ukončení ropné těţby a nevhodné likvidaci těchto sond byl v území nad nimi vybudován areál ČOV. Z uvedených sond bylo moţné pouze na sondě H43 provést relikvidaci. Následky nevhodné likvidace ostatních sond bylo nutné odstranit za pomoci kombinace zachytávání a odčerpávání kontaminovaných vod, které je popsáno v kapitole číslo 3.4. Pod areálem ČOV se nachází ohnisko znečištění, vzniklé díky úniku kontaminovaných vod z ropných sond (Pintér & Cédlová, 2011). Kontaminace ropnými látkami, jejíţ sanaci tento projekt řeší, je charakterizována nepolárními extrahovatelnými látkami (dále NEL). Tento parametr je definován jako hmotnostní koncentrace organických látek, které je moţno vyextrahovat ze vzorku vody trichlortrifluorethanem následně je spektrometricky stanovit v infračervené oblasti spektra (Kuráň et al., 2011). Průměrná koncentrace ropných zbytků v podzemních vodách pod areálem ČOV se průměrně pohybuje okolo 8 mg/l NEL, přičemţ v nejbliţším okolí ropných sond dosahuje kontaminace aţ 25 mg/l NEL (Pintér & Cédlová. 2011).
27
3.2 Metodika 3.2.1 Zpracování existujících dat V elektronické databázi firmy VODNÍ ZDOJE, a.s. bylo uloţeno velké mnoţství nesourodých různorodých dat, která popisovala modelové území. Tato data bylo nutné setřídit a dát jim jednotnou formu. Podle typu dat se konkrétně jednalo o geodetická data, popisující prostorovou a výškovou lokalizaci jednotlivých vrtů a geodetické záměry terénu, bodová data popisující nasycené hydraulické vodivosti, naraţené a ustálené kóty hladin podzemních vod (dále HPV) naměřené ve vrtech, úrovně hladin v povrchových vodotečích, geometrie jednotlivých půdních vrstev vyplývající z vrtného průzkumu a počáteční koncentrace kontaminantu. Výsledkem zpracování těchto dat vznikly textové soubory, plošné gridy, tabulky, liniové a bodové vrstvy, které byly vyuţitelné jako podklad pro výpočetní modely. 3.2.2 Doplnění existujících dat Zpracovaná databázová data povětšinou svým rozsahem nepopisovala jednotlivé veličiny v celém rozsahu modelové oblasti nebo zde dokonce některá data potřebná pro funkci výpočetních modelů chyběla. Z tohoto důvodu bylo nutné provézt doplňková terénní měření a následné doplnění databázových dat. Konkrétně byly geodeticky doměřeny nezaměřené části modelového území, za pomoci mělké sondáţe byly doprozkoumány úrovně HPV (v obou případech se jednalo hlavně o území v okolí ČOV) a z kontaminované oblasti byly odebrány nové vzorky vody a půdy. Vzorky kontaminované vody a půdy byly dále zaslány na laboratorní rozbor. Ze vzorků vody byly zjištěny koncentrace kontaminantu, které byly dále vyuţity jako kalibrační data pro model základního transportu kontaminantu. Ze vzorků půdy byly zjištěny koncentrace celkového uhlíku, které slouţily jako podklad pro výpočet distribučních koeficientů. Po doplnění chybějících dat jiţ bylo modelové území dostatečně popsáno. Výsledná vstupní data a parametry jsou popsány v kapitole 3.4. 3.2.3 Sestavení jednotlivých výpočetních modelů Po zpracování dat bylo moţné přikročit k vlastní modelaci. Ta byla provedena za pouţití výpočetního softwaru Visual MODFLOW. Prvním krokem při modelaci bylo vytvoření základního geometrického prostředí. Při horizontální diskretizaci byla vytvořena základní síť čtvercových pravoúhlých buněk o velikosti 10 x 10 m. Tyto buňky byly pro lepší popis sledovaných jevů pod areálem ČOV a v jeho nejbliţším okolí lokálně zahuštěny na velikost 5 x 5 m. Vertikálně bylo území podle vrtného a geodetického průzkumu diskretizováno na 3 vrstvy, přičemţ horní vrstva náleţela svrchnímu izolátoru a ostatní dvě vrstvy náleţely kvartérnímu kolektoru. Takto definované geometrické prostředí slouţí jako podklad pro všechny výpočetní modely.
28
Druhým krokem při modelaci bylo vytvoření základního hydraulického modelu proudění podzemních vod, který popisuje přirozené stacionární proudění v modelovém území. Jeho výstavba byla provedena za pomoci zavedení okrajových podmínek, představujících úrovně HPV, úrovně povrchových vodotečí a sráţkovou infiltraci. Model byl dále kalibrován podle reálně naměřených kalibračních dat úpravou okrajových podmínek, které mohly být chybně odhadnuty a mírnými změnami v plošném rozloţení nasycených hydraulických vodivostí. Tento model je podobně popsán v kapitolách 3.5.1.1, 3.6.1.1, 3.7.1.1 a 3.8.1 a sloţí jako podkladové prostředí pro hydraulický model proudění podzemních vod a základní model transportu kontaminantu. Třetím krokem při modelaci bylo vytvoření hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace, který popisuje stacionární proudění podzemních vod v modelovém území za podmínek sanace. Model přejímá veškeré zkalibrované okrajové podmínky a modelové prostředí, které byly definovány v základním hydraulickém modelu proudění podzemních vod. Dále jsou zde nově zavedeny okrajové podmínky a změny vodivosti modelového prostředí, které jsou definovány sanačním zásahem (čerpání na sanačních vrtech a výstavba podzemní těsnící stěny). Tento model je podobně popsán v kapitolách 3.5.1.2, 3.6.1.2, 3.7.1.2 a 3.8.2 a sloţí jako podkladové prostředí pro model transportu kontaminantu za podmínek sanace. Čtvrtým krokem při modelaci bylo vytvoření základního modelu transportu kontaminantu, který popisuje přirozený nestacionární kontaminační transport, probíhající v modelovém území. Model přejímá veškeré zkalibrované okrajové podmínky a modelové prostředí, které byly definovány v základním hydraulickém modelu proudění podzemních vod. Dále jsou zde nově zavedeny okrajové podmínky a nové parametry, týkající se transportu kontaminantu a kontinuálního úniku kontaminantu ze starých těţebních vrtů (disperzivita, efektivní pórovitost, distribuční koeficienty). Tento model je podobně popsán v kapitolách 3.5.2.1, 3.6.2.1, 3.7.2.1 a 3.8.3 a sloţí jako podkladové prostředí pro model transportu kontaminantu za podmínek sanace. Pátým krokem při modelaci bylo vytvoření modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace, který popisuje nestacionární kontaminační transport, probíhající v modelovém území za působení sanačního zásahu. Model přejímá veškeré zkalibrované okrajové podmínky a modelové prostředí, které byly definovány v hydraulickém modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace a v základním modelu transportu kontaminantu a nezavádí ţádné nové okrajové podmínky. Tento model je podobně popsán v kapitolách 3.5.2.2, 3.6.2.2, 3.7.2.2 a 3.8.4 a sloţí jako konečný výstup modelace, podle kterého je celková efektivita sanace hodnocena. 3.2.4 Vizualizace Výsledky modelace byly vizualizovány v softwaru ArcGIS za pomoci izolinií formou map. V hydraulických stacionárních modelech proudění podzemních vod izolinie znázorňovali úrovně hladin podzemních vod a v modelech transportu kontaminantu znázorňovali rozšíření kontaminačního mraku.
29
3.2.4 Zhodnocení efektivity sanace a navržení jejího vylepšení Efektivita sanace byla hodnocena podle vizualizací a kvantitativních výstupů jednotlivých modelů. Porovnávaly se při něm změny proudění a koncentrací namodelované mezi základními modely popisujícími přirozené proudění a přirozená transport a modely sanačního zásahu. Navrţení vylepšení sanačního zásahu bylo provedeno na základě v praxi vyuţívaných technologií likvidace ropné kontaminace z porézního prostředí. Jednotlivé výstupy a navrhovaná opatření byly hodnoceny za odborného dohledu pracovníků firmy VODNÍ ZDROJE, a.s.
3.3 Návrh technického řešení sanace Sanace saturované zóny je navrţena formou čerpání na sanačních vrtech rozmístěných na jihovýchodním a jihozápadním okraji areálu ČOV. Pro zamezení šíření kontaminantu v saturované zóně směrem k toku řeky Stará Morava je navrţeno vybudování podzemní těsnící stěny. Podzemní těsnící stěna je navrţena tak, aby plnila výše uvedenou funkci a zároveň výrazně neovlivňovala reţim proudění podzemních vod tak, ţe zasahuje do štěrkopískového kolektoru, ale nedosahuje jeho dna, čímţ je umoţněno její podtékání a zároveň zajištěno zachytávání znečištění, plovoucího na hladině podzemních vod pod areálem ČOV. Sanační soustava se skládá z dvanácti mělkých kvartérních čerpacích vrtů (SAN 1 – SAN 12), které jsou rozděleny do tří skupin po čtyřech vrtech. Kaţdá skupina sanačních vrtů má svou sanační stanici (SAN A, SAN B, SAN C). V kaţdém sanačním vrtu jsou dvě čerpadla – horní a spodní. Spodní čerpadlo je umístěno cca 1m nade dnem vrtu a má za úkol vytvoření depresního kuţelu pro vyvolání hydraulického spádu podzemních vod směrem k sanačním vrtům a odčerpání rozpuštěné kontaminace. Čerpané mnoţství na spodních čerpadlech se pohybuje v rozmezí 1 – 1,5 l/s. Horní čerpadlo je umístěno cca 25 cm pod hladinou podzemní vody v daném sanačním vrtu po ustálení za stálého čerpání na spodním čerpadle. Má za úkol odčerpání nemísitelné části kontaminace plovoucí na hladině podzemních vod. Čerpání na horních čerpadlech je intervalové s nízkým průtokem okolo 0,2 l/s. Reţim horních i spodních čerpadel je řízen automaticky. Čerpaná voda z jednotlivých vrtů je odčerpávána do příslušné sanační stanice. Zde je kontaminovaná voda vyčištěna a následně vypuštěna do Staré Moravy, přičemţ koncentrace NEL ve vypouštěných vodách nesmí přesahovat hodnotu 0,1 mg/l (Pintér et al. 2011). Konkrétní zavrţení sanačních objektů je znázorněno na obr. 3.1.
30
Obrázek 3.1 Sanační objekty v areálu ČOV Hodonín
3.4. Vstupní data a parametry modelů 3.4.1 Geometrie oblasti Jedná se o data zjištěná a interpolovaná na základě vrtného průzkumu, geodetického zaměření a digitalizovaných map s kótami. Konkrétně byly vytvořeny: digitální model terénu (dále DTM), strop kolektoru a dno kolektoru. Postup při vytváření geometrických dat byl nejprve vytvoření bodové vrstvy v ArcGISu, která rovnoměrně pokrývala modelovou oblast a následná interpolace bodových vrstev v softwaru Surfer 10. Jako interpolační metoda byla pouţita metoda Natural neighbor, interpolovanou veličinou byla vţdy Z souřadnice v metrech nad mořem konkrétní geometrické úrovně (DTM, stop kolektoru, dno klektoru). 3.4.1.1 Digitální model terénu Jedná se o geometrický popis terénu, který nám zároveň popisuje i strop svrchního izolátoru a horní hranici modelované oblasti. Jako vstupní data pro jeho vytvoření byly pouţity geodetické záměry provedené v území, digitalizované rastrové mapy týkající se popisu terénu a technický popis areálu ČOV. Zvolená interpolační metoda byla Natural neighbor.
31
3.4.1.2 Strop kolektoru Jedná se o geometrický popis plochy, která odděluje svrchní izolátor od štěrkopískového kolektoru. Jako vstupní hodnoty pro jeho vytvoření byly pouţity kóty naraţených HPV na vrtech náleţících modelovému území. Tyto kóty byly zkonstruovány tak, ţe se od geodetických výškových záměrů odečetla hloubka HPV naměřená ihned po naraţení, neţli došlo k vystoupání hladiny na její tlakovou hodnotu. Zvolená interpolační metoda byla Natural neighbor. 3.4.1.3 Dno kolektoru Jedná se o geometrický popis plochy, která odděluje spodní izolátor od štěrkopískového kolektoru. Jako vstupní hodnoty pro jeho vytvoření byly pouţity kóty dna štěrkového kolektoru naměřené na vrtech náleţících modelovému území. Tyto kóty byly zkonstruovány tak, ţe se od geodetických výškových záměrů odečetla hloubka ukončení stěrkopísků na jádrovnici. Zvolená interpolační metoda byla Natural neighbor. 3.4.2 Nasycené hydraulické vodivosti Jedná se o popis nasycených hydraulických vodivostí (dále Ks) ve štěrkopískovém kolektoru a ve svrchním izolátoru. Popis štěrkopískového kolektoru byl zkonstruovaný podle výsledků čerpacích zkoušek na vrtech uvnitř modelového území. Na základě zjištěných Ks byla s pomocí plošného váţeného průměru určena jejich průměrná hodnota v kolektoru na 5x10-4 m/s. Čerpací zkoušky bohuţel nebyly provedeny na celkové ploše zájmového území, ale pouze pod areálem ČOV a v území jiţně a západně od něj. Ve zbylém území bylo třeba tyto hodnoty s pomocí modelování a kalibrace odhadnout. Při tvorbě mapy Ks v kolektoru, která byla podkladem pro model, byl navíc vyuţit průzkum znečištění na modelovém území jako přirozená stopovací zkouška. Konkrétně byl zjištěn převládající směr proudění podzemních vod z koncentrací NEL, unikajících ze zdrojů mimo modelové území, a procházejících skrze modelové území od severu. Nasycená hydraulická vodivost stropního izolátoru byla určena na základě laboratorního průzkumu z odebraných vzorků, charakterizujících tuto oblast na 1x10-8 m/s (Pintér et al. 2011). Celkový popis nasycených hydraulických vodivostí slouţí jako charakteristika hydraulického chování modelového území, díky níţ jsou cílové modely schopny určit hladiny podzemních vod, směry proudění podzemních vod a transport kontaminantu. Výsledná mapa Ks v kolektoru, která je tvořena polygony s rozdílnými Ks, byla zkonstruována s pomocí softwaru Visual MODFLOW. 3.4.3 Hladiny podzemních vod Jedná se o bodový popis hladin podzemních vod (dále HPV) na všech vrtech a sondách uvnitř modelového území v metrech nad mořem. HPV jsou zde naměřeny po ustálení z důvodu zjištění tlakových výšek HPV v napjatém kolektoru. Rozdíl naraţené a ustálené hladiny se pohyboval mezi 0,2 – 2,1 m. Naměřené bodové veličiny slouţili ke konstrukci okrajových podmínek a při kalibraci hydraulického modelu proudění podzemních vod. Výsledná bodová vrstva HPV byla zkonstruována s pomocí softwaru ArcGIS.
32
3.4.4 Počáteční koncentrace NEL Jedná se o data zjištěná a interpolovaná na základě dynamických odběrů vzorků podzemních vod na vrtech a sondách uvnitř modelového území a jejich následným laboratorním rozborem na přítomnost NEL v nich. Postup při vytváření mapy počáteční koncentrace byl nejprve vytvoření bodové vrstvy v ArcGIS, která rovnoměrně pokrývala modelovou oblast a následná interpolace bodových vrstev v softwaru Surfer 10. Jako interpolační metoda byl vyuţit Kriging a interpolovanou veličinou byla hodnota koncentrace NEL v podzemních vodách. Popis počátečních koncentrací NEL slouţí, jako počáteční podmínka pro transportní model. 3.4.5 Zdroje znečištění Jedná se odhadnutý kontinuální únik ropných látek z nedostatečně zlikvidovaných vrtů. Odhad byl proveden na základě rizikové analýzy provedené pro tuto oblast (Košuličová et al., 2010). Odhadnutá hodnota úniku byla stanovena na 0,5 l za den. Jako podklad pro model byla s pomocí softwaru ArcGIS vytvořena bodová vrstva zlikvidovaných vrtů se zadaným stálým únikem. 3.4.6 Distribuční koeficienty Hodnoty těchto koeficientů byly zjištěny výpočtem podle vzorce (24) v kapitole 2.2.3.2 z celkového uhlíku, zjištěného v kontaminovaných vodách násobeného koeficientem sorptivity, charakteristického pro staré benziny (Rippelová et al., 2009). Výsledná mapa distribučních koeficientů tvořená polygony s rozdílným distribučním koeficientem byla vytvořena za pomoci bodových vstupů distribučních koeficientů a kalibrace transportního modelu za pouţití softwaru Visual MODFLOW. Ta slouţí jako podklad pro výpočet lineární sorpce, která ovlivňuje transport NEL v modelovém území. 3.4.7 Sanační objekty Jedná se o geodeticky zaměřené objekty, které se podílejí na sanaci starých ropných zátěţí. Konkrétně jde o záměry sanačních vrtů podzemní těsnící stěny. Tyto zaměřené objekty byly zkonstruovány s pomocí softwaru ArcGIS a následně implementovány do modelů, popisujících sanační zásah. 3.4.8 Konstantní parametry Jedná se o modelové parametry, které jsou pro celé modelové území konstantní. Patří mezi ně infiltrace, pórovitost a disperzivita. 3.4.8.1 Infiltrace Pro oblast Hodonínska je charakteristická infiltrace 130 mm/rok (Košuličová et al., 2010). 3.4.8.2 Pórovitost Pro štěrkopískový kolektor vyšla celková pórovitost na 0,49 a efektivní pórovitost na 0,19. Po svrchní izolátor vyšla celková pórovitost na 0,42 a efektivní pórovitost na 0,04. Pórovitosti slouţí v modelu k určení rychlostí proudění na hydraulickém modelu a k určení rozsahu transportu u transportního modelu.
33
3.4.8.3 Disperzivita Disperzivita byla určena s pomocí empirického vzorce, implementovaného v softwaru bioscreen (EPA, 2012), který počítá podélnou disperzivitu z informace o délce kontaminačního mraku. Vzorec pro výpočet podélné disperzivity má tvar: (54) kde Dl je hodnota podélné disperzivity, vypočítaná v Amerických stopách [ft], kterou je nutné přepočítat na metry a lm je délka kontaminačního mraku [ft]. Do softwaru Visual MODFLOW se zadává pouze hodnota podélné disperzivity, jejíţ hodnota pro modelové území vyšla 9,12 m. Příčná disperzivita je zde automaticky přepočítávána jako desetina z podélné disperzivity.
3.5 Koncept Základními úkoly zkoumané na modelové oblasti jsou: popis základního stacionárního proudění bez sanačního zásahu, popis stacionárního proudění za podmínek sanačního zásahu, popis základního transportu kontaminantu a popis transportu kontaminantu za podmínek sanačního zásahu. Kaţdý z těchto úkolů je samostatně řešen vlastním modelem. V následujících kapitolách je řešen konceptuální popis jednotlivých modelů. Ve všech případech jsou modely třídimenzionální. 3.5.1 Stacionárního proudění podzemních vod V modelovém řešení se uvaţuje se dvěma modely stacionárního proudění podzemních vod – Základní hydraulický model stacionárního proudění a hydraulický model stacionárního proudění za podmínek sanace. Modelové území je diskretizováno nerovnoměrnou pravoúhlou sítí. Matematické modely jsou popsané v kapitole 2.2.2. 3.5.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod Jedná se o základní hydraulický stacionární model popisující proudění podzemních uvnitř modelové oblasti bez hydraulického působení sanačního zásahu. Model konkrétně popisuje proudění ve třech vertikálních úrovních, z nichţ spodní dvě úrovně náleţí kvartérnímu kolektoru a svrchní náleţí svrchnímu izolátoru. Kaţdá z těchto úrovní představuje prostředí, skrze nějţ proudí podzemní voda. Toto prostředí je definován nasycenou hydraulickou vodivostí (dále Ks). Na hranicích modelového území je uvaţován přítok a odtok, který je zadán pevnými hladinami podzemních vod (dále HPV). Dalším uvaţovaným přítokem do modelové oblasti je infiltrace. Výsledné HPV zjištěné modelem musí být dále porovnávány s reálně naměřenými hodnotami za pouţití porovnávacího kritéria. Cílem modelu je popsat přirozené proudění na lokalitě, tedy pokud moţno co nejvíce sníţit chybu modelu od naměřených dat. Toho je docíleno manuální kalibrací, konkrétně úpravami okrajových podmínek, které mohou být chybně odhadnuty a mírnými změnami Ks. Takto kalibrovaný model slouţí jako podklad pro ostatní modely. Koncept tohoto modelu je znázorněn na obrázku 3.2
34
Obrázek 3.2 Koncept základního hydraulického modelu proudění podzemních vod 3.5.1.2 Hydraulický model proudění podzemních za podmínek sanace Jedná se o hydraulický stacionární model popisující proudění podzemních vod uvnitř modelové oblasti za podmínek sanačního zásahu, tedy za čerpání na sanačních vrtech po vybudování podzemní těsnící stěny. Tento model je navrţen na základě kalibrovaného základního hydraulického modelu. Přejímá z něj definované prostřední, dále přítoky a odtoky na jeho hranicích. Nově jsou zde uvaţovány: podzemní těsnící stěna (dále PTS), která ovlivňuje proudění skrze část modelové oblasti a soustava čerpacích sanačních vrtů, která simuluje umělý odtok z částí modelové oblasti. Výsledným cílem modelu je popis proudění při průběhu sanačního zásahu a optimalizace čerpání na sanačních vrtech. Model má dále slouţit jako podklad pro model transportu znečištění za probíhající sanace. Koncept tohoto modelu je znázorněn na obrázku 3.3.
Obrázek 3.3 Koncept hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace
35
3.5.2 Transport kontaminantu V modelovém řešení se uvaţuje se dvěma modely transportu – se základním modelem transportu a s modelem transportu kontaminantu za probíhající sanace. V obou případech se jedná o nestacionární nekonzervativní transportní modely, které popisují pohyb rozpuštěných a mísitelných částí znečištění v podzemních vodách. Princip mísitelného nekonzervativního proudění je v modelech počítán kvůli tomu, ţe při sanačním zásahu by mohlo docházet k podtékání PTS tou částí kontaminantu, která je rozpuštěná nebo smíšená s podzemní vodou a je tedy nutné zjistit, jak se bude tato fáze chovat. Dále je nutné zjistit, jaké mnoţství rozpuštěného kontaminantu bude při sanaci odčerpáno a jaké koncentrace látek budou v kontaminovaných vodách po ukončení sanačního zásahu. Rovnice popisující transport znečištění jsou popsány v kapitole 2.2.3. Pohyb nerozpustné fáze znečištění s hustotou niţší neţli je hustota podzemních vod, která plave na HPV, modely nepočítají. 3.5.2.1 Základní model transportu kontaminantu Jedná se o základní nestacionární transportní model popisující přirozený transport kontaminantu uvnitř modelové oblasti bez hydraulického působení sanačního zásahu. Tento model pouţívá jako podklad kalibrovaný základní hydraulický model. Z něj přejímá veškeré hydraulické parametry, přítoky a odtoky na hranicích a informace o rychlostech. Ty jsou vyuţity při výpočtu pro advekce. Dále jsou zde definovány nové parametry definující disperzní a sorpční část transportu kontaminantu. Jediný přítok kontaminantů do modelové oblasti je přítok ze starých těţebních vrtů. Na počátku výpočtu je definován koncentrační mrak pod čističkou odpadních vod (dále ČOV). Výsledné hodnoty znečištění jsou porovnávány s reálně naměřenými kalibračními hodnotami za pouţití porovnávacího kritéria. Cílem modelu je reálně popsat transportní parametry modelového území, tedy co nejvíce přiblíţit modelové hodnoty reálným hodnotám. Toho je docíleno manuálními kalibračními úpravami distribučních koeficientů. Takto kalibrovaný model slouţí jako podklad pro model transportu kontaminantu za podmínek sanačního zásahu. Koncept tohoto modelu je znázorněn na obrázku 3.4.
Obrázek 3.4 Koncept základního modelu transportu kontaminantu 36
3.5.2.2 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace Jedná se nestacionární transportní model popisující transport kontaminantu uvnitř modelové oblasti za podmínek sanačního zásahu. Tento model pouţívá jako podklad kalibrovaný základní model transportu kontaminantu a hydraulický modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace. Z hydraulického modelu přejímá veškeré hydraulické parametry, přítoky a odtoky podzemních vod z modelové oblasti a informace o rychlostech proudění, které vyuţívá jako podklad pro advekci a z transportního modelu přejímá kalibrované parametry transportních procesů a přítoky kontamninantu, které vyuţívá k ostatnímu popisu transportu kontaminantu (Hydrodynamická disperze, Sorpce). Výsledným cílem modelu je posouzení efektivity sanačního zásahu a určení zbytkových koncentrací v modelovém území. Koncept tohoto modelu je znázorněn na obrázku 3.5.
Obrázek 3.5 Koncept transportu kontaminantu za podmínek sanace
3.6 Okrajové a počáteční podmínky V této kapitole je popsáno počáteční nastavení a okrajové podmínky jednotlivých modelů. Tyto veličiny jsou zde pro jednotlivé modely nejprve znázorněny na půdorysu, příčném a podélném řezu a následně popsány v navazujícím textu. 3.6.1 Stacionárního proudění podzemních vod Pro stacionární proudění jsou charakteristické okrajové podmínky, které nejsou závislé na čase. Konkrétně se jedná o
Dirichletovy a Neumanovy podmínky, popisující přítoky a odtoky
z modelové oblasti.
37
3.6.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod
Obrázek 3.6 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, půdorys
Obrázek 3.7 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, řez A – A´
38
Obrázek 3.8 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, řez B – B´ 3.6.1.1.1 Modelové prostředí 1
je prostředí, náleţící svrchnímu izolátoru.
Izolátor je pro hydraulické modely
charakterizován nasycenými hydraulickými vodivostmi, jejichţ vznik je popsán v kapitole 3.4.2. 2
je prostředí, náleţící kvartérnímu kolektoru. Kolektor je obdobně jako u svrchního
izolátoru charakterizován nasycenými hydraulickými vodivostmi, jejichţ vznik je popsán v kapitole 3.4.2. 3.6.1.1.2 Okrajové podmínky Okrajová podmínka
1
je charakterizována absolutní nadmořskou výškou hladiny původního
koryta řeky Moravy. V matematickém zápisu je tato hodnota popsána jako Hhladina. Její hodnoty jsou zjištěny na základě geodetických záměrů hladin na úseku definovaném pro tuto podmínku (obrázek 3.6) a kalibrace základního hydraulického modelu proudění podzemních vod. Tato okrajová podmínka má lineární sestupný gradient ve směru SV – JZ. V MODFLOW je zadána jako okrajová podmínka typu RIVER, u níţ jsou charakterizovány parametry propustnost dna, rozměry koryta, výškové absolutní souřadnice počátku a konce okrajové podmínky a směr proudění z a do okrajové podmínky. V základním hydraulickém modelu funguje, jako hlavní přirozená drenáţ, která odvodňuje modelové území. Svou lokalizací náleţí tato okrajová podmínka kvartérnímu kolektoru, znázorněnému v řezech (obrázky 3.7 a 3.8) jako prostředí
2.
39
Okrajová podmínka
2
je charakterizována absolutní nadmořskou výškou tlakových hladin
podzemních vod, naměřených ve vrtech na okrajích modelové oblasti. V matematickém modelu je tato hodnota popsána jako Hvrt. Její hodnoty jsou zjištěny na základě záměru hladin ve vrtech a kalibrace základního hydraulického modelu proudění podzemních vod. Tato okrajová podmínka má lineární střídavě sestupný i vzestupný gradient. V MODFLOW je zadány jako okrajová podmínka typu GENERAL HEAD BOWNDARY, u níţ jsou charakterizovány parametry propustnost okrajové podmínky, výškové absolutní souřadnice a směr proudění z a do okrajové podmínky. Podmínka
2
funguje proměnlivě jako zdroj i drenáţ modelové oblasti, přičemţ hlavně plní zdrojovou funkci. Svou lokalizací náleţí kvartérnímu kolektoru, znázorněnému v řezech (obrázky 3.7 a 3.8) jako prostředí
Okrajová podmínka
3
2.
je charakterizována absolutní nadmořskou výškou hladiny povrchové
vodoteče Teplý Járek. V matematickém zápisu je tato hodnota popsána jako Hhladina. Její hodnoty jsou zjištěny na základě geodetických záměrů hladin na úseku definovaném pro tuto podmínku (obrázek 3.6) a kalibrace základního hydraulického modelu proudění podzemních vod. Tato okrajová podmínka má lineární sestupný gradient ve směru SV – JZ. V MODFLOW je zadána jako okrajová podmínka typu RIVER, u níţ jsou charakterizovány parametry propustnost dna, rozměry koryta, výškové absolutní souřadnice počátku a konce okrajové podmínky a směr proudění z a do okrajové podmínky. V základním hydraulickém modelu funguje jako infiltrační zdroj. Svou lokalizací náleţí tato okrajová podmínka kvartérnímu kolektoru, znázorněnému v řezech (obrázky 3.7 a 3.8) jako prostředí
Okrajová podmínka
i
je hranice, přes kterou probíhá infiltrace o intenzitě
2.
. Tato okrajová
podmínka je charakterizována výškou sloupce infiltrované vody v ploše modelové oblasti za čas. Získání její hodnoty je popsáno v kapitole 3.4.8.1. V MODFLOW je zadána jako konstantní časově neměnná hodnota. Svou lokalizací náleţí tato okrajová podmínka svrchnímu izolátoru, znázorněnému v řezech (obrázky 3.7 a 3.8) jako prostředí
1.
3.7.1.2 Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace Tento hydraulický model přejímá všechny hydraulické okrajové podmínky a modelové prostředí ze základního hydraulického modelu proudění podzemních vod. Navíc je zde zavedena okrajová podmínka znázorňující čerpání na sanačních vrtech a změna části modelového prostředí vzniklá zavedením podzemní těsnící stěny.
40
Obrázek 3.9 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, půdorys
Obrázek 3.10 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, řez A – A´
41
Obrázek 3.11 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, řez B – B´ 3.6.1.2.1 Modelové prostředí Podzemí těsnící stěna (PTS) je část prostředí náleţící částečně svrchnímu izolátoru (prostředí 1)
i kvartérnímu kolektoru (
2).
Konkrétně charakterizuje nepropustnou hydraulickou barieru
vybudovanou v JZ a JV části areálu ČOV. Tato bariera zasahuje pouze do části kolektoru a je tedy podtékána podzemní vodou v kolektoru. V modelu je tato clona vytyčena na základě sanačního návrhu, popsanému v kapitole 3.3. 3.6.1.2.2 Okrajové podmínky
Okrajová podmínka
č
je bodová okrajová podmínka, přes kterou probíhá čerpání o intenzitě
. Tato okrajová podmínka je charakterizována intenzitou čerpání na sanačních vrtech za čas. Popis tohoto čerpání je uveden v kapitole 3.3. V MODFLOW jsou jednotlivé sanační vrty zadány jako PUMPING WELLS, přičemţ u kaţdého vrtu je charakterizováno mnoţství čerpané vody, jeho lokalizace a úroveň perforace. Svou lokalizací náleţí tato okrajová podmínka kvartérnímu kolektoru, znázorněnému v řezech jako prostředí
2.
42
3.6.2 Transport kontaminantu Pro transport kontaminantu jsou charakteristické okrajové podmínky, jejichţ hydraulická část je přejatá ze stacionárních hydraulických modelů, zbývající část týkající se transportu kontaminantu má nestacionární charakter. Konkrétně se jedná o Dirichletovy, Neumanovy a Newtonovy okrajové podmínky, popisující přítoky, odtoky a počáteční podmínky, charakterizované v modelové oblasti. 3.6.2.1 Základní model transportu kontaminantu Tento transportní model přejímá všechny hydraulické okrajové podmínky a modelové prostředí ze základního hydraulického modelu proudění podzemních vod. Navíc jsou zde pro jednotlivá prostředí definovány parametry potřebné pro určení transportu kontaminantu, únik znečištění ze zlikvidovaných ropných vrtů a počáteční mrak znečištění, nacházející se pod ČOV. 3.6.2.1.1 Modelové prostředí V jednotlivých částech modelového prostředí (
1
a
2)
byly doplněny informace o
disperzivitě, efektivních pórovitostech a distribučních koeficientech, které byly potřebné pro definici transportu kontaminantu. Tyto parametry popsané v kapitolách 3.4.6 a 3.4.8. 3.6.2.1.2 Počáteční podmínky Jedná se o počáteční podmínku charakterizující počáteční znečištění cinit pod areálem ČOV. Jeho vytvoření je popsáno v kapitole 3.4.6. V řezech a půdorysu (obrázek 3.12, 3.13 a 3.14)je znázorněna jako prostředí
init.
Obrázek 3.12 OPP Základní model transportu kontaminantu, půdorys 43
3.13 OPP Základní model transportu kontaminantu, řez A – A´
Obrázek 3.14 OPP Základní model transportu kontaminantu, řez B – B´ 44
3.6.2.1.3 Okrajové podmínky
Okrajová podmínka
k
je bodová okrajová podmínka, která popisuje únik kontaminantu ze
zlikvidovaných těţebních vrtů. Je charakterizována intenzitou čerpání na sanačních vrtech úniku je kapitole 3.4.5. V matematickém modelu je vzorcem vzorcem
. Popis
popsána disperzivní část a
je advektivní část úniku kontaminantu. V MODFLOW jsou jednotlivé staré
těţební vrty zadány jako POINT SOURCE. Svou lokalizací náleţí tato okrajová podmínka kvartérnímu kolektoru
2.
Jedná se o okrajovou podmínku, která charakterizujíce nulový přítok kontaminantu přes hranice 3.6.2.1 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace Tento transportní model přejímá veškeré počáteční a okrajové podmínky a modelové prostředí z hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace a ze základního modelu transportu kontaminantu. Jedná se tedy o nestacionární model vzniklý kombinací výše zmíněných modelů.
Obrázek 3.15 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace, půdorys
45
Obrázek 3.16 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace řez A – A´
Obrázek 3.17 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace, řez B – B´
46
3.7 Výsledky 3.7.1 Stacionárního proudění podzemních vod 3.7.1.1 Základní hydraulický model proudění podzemních vod Vizualizace přirozeného proudění přes modelové území je znázorněna na obrázku 3. 18. za pomoci HPV. Z modelu je patrné, ţe v oblasti pod ČOV dochází k mírnému vzdutí hladin podzemních vod a následně k částečnému obtékání podloţí areálu podzemními vodami. Ve zbylé části modelového území je patrné JV proudění podzemních vod. Ty jsou drénovány původním korytem Staré Moravy. Model je kalibrovaný za pomoci změny úrovní okrajových podmínek a lokálními změnami nasycených hydraulických vodivostí. Odchylka naměřených a namodelovaných dat byla díky manuální kalibraci podle kritéria RMSE zlepšena z původních 15% na 5%.
Obrázek 3.18 Výstup základního hydraulického modelu proudění podzemních vod
47
3.7.1.2 Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace Vizualizace proudění přes modelové území za podmínek sanace je znázorněna na obrázku 3. 19. za pomoci HPV. Z modelového řešení je patrné sníţení HPV vyvolané čerpáním na sanačních vrtech rozmístěných na vnitřní straně PTS. Celkové sníţení v tlakové zvodni v oblasti podél PTS se pohybuje okolo 0,3 m (přímo ve vrtech a v jejich nejbliţším okolí do 1 m je tato hodnota vyšší). Podzemní vody jsou zde čerpáním převáţně sváděny k jiţnímu rohu areálu ČOV. Tento jev je výhodný z důvodu následného odčerpání kontaminace z podzemních vod. Znečištění je zde zadrţeno díky PTS a následně efektivně odčerpáno vlivem vysoké hustoty čerpacích vrtů. Dále je zde patrná dotace části kvartérního kolektoru pod areálem ČOV vodou ze Staré Moravy. Koryto Staré Moravy přirozeně slouţí jako odvodňovací báze kolektoru. Vlivem čerpání je zde však vytvořena lokální deprese, díky níţ je tento trend lokálně pozměněn. Tento jev je výhodný kvůli odčerpání znečištění, které se nachází mezi korytem Staré Moravy a areálem ČOV. Odčerpání tohoto znečištění je však brzděno vybudovanou PTS. Díky ní je moţné odčerpat pouze znečištění mísitelné s vodou, přičemţ znečištění plovoucí na HPV je zaraţeno o PTS a zůstává zde trvale neodčerpáno. Sanační čerpání ovlivňuje proudění podzemních vod cca do 100 m o hranic areálu ČOV. Ve zbytku modelové oblasti probíhá přirozené proudění podzemních vod popsané v kapitole 3.7.1.1.
Obrázek 3.19 Výstup hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace
48
3.7.2 Transport kontaminantu 3.7.2.1 Základní model transportu kontaminantu Vizualizace přirozeného transportu kontaminantu přes modelové území je znázorněna na obrázku 3.21. Model znázorňuje přirozený pohyb kontaminantu v období od května 2011, kdy byly naměřeny iniciální koncentrace vstupující do modelu (zobrazeny na obrázku 3.20), do prosince roku 2012, kdy bylo započato sanační čerpání a kdy byla odebrána kalibrační data. Z vizualizace je zřejmý velmi pomalý transport kontaminantu v JV směru proudění podzemních vod. Nízká rychlost transportu kontaminace je zapříčiněna vysokou sorpcí, která byla pro modelové území zjištěna. Kontaminace je podle modelu drénována původním korytem Staré Moravy. Tato neţádoucí drenáţ kontaminující Starou Moravu vymodelovaná pro zadaný časový úsek činí cca 800 kg z celkových cca 78500 kg, které byly odhadnuty jako iniciální koncentrace. Po ukončení modelace zbylo v modelové oblasti cca 77500 kg, z nichţ cca 76500 kg náleţí sorbované části znečištění a cca 1000 kg náleţí volně pohyblivé části znečištění. Model je manuálně kalibrovaný za pomoci změny distribučních koeficientů v ploše. Odchylka naměřených a namodelovaných dat byla díky manuální kalibraci podle kritéria RMSE zlepšena z původních 48% na 43%.
Obrázek 3.20 Počáteční koncentrace kontaminantu
49
Obrázek 3.21 Výstup základního modelu transportu kontaminantu 3.7.2.1 Model transportu kontaminantu za podmínek sanace Konečným výstupem modelového řešení je model transportu kontaminantu za podmínek sanace. Vizualizace výstupu tohoto modelu je znázorněna za obrázku 3.21. Model konkrétně znázorňuje pohyb kontaminantu za dobu 24 měsíců od spuštění sanačního zásahu v prosinci 2012. Vizualizace modelu nám ukazuje zmenšení koncentračního mraku, který se nachází pod areálem ČOV a odčerpání veškerého ve vodě mísitelného znečištění, které se nachází mezi areálem ČOV a korytem Staré Moravy. Dále je díky lokální změně směru proudění podzemních vod zmíněné v kapitole 3.7.1.2 dosaţeno toho, ţe během sanačního čerpání nedochází k infiltraci kontaminantu do koryta Staré Moravy. V oblasti JZ od areálu ČOV se nachází zbytková část původního kontaminačního mraku, kterou se podle modelu nepodařilo sanačnímu zásahu odčerpat a nachází se vně PTS. Celkově podle modelového řešení zřejmé ţe se podařilo kontaminaci uchytit pod areálem ČOV, avšak zdaleka ne ji zcela odčerpat. Celkové mnoţství kontaminantu, odčerpané sanačním zásahem za dobu 24 měsíců bylo modelem vypočteno na cca 5000 kg z původních cca 77600 kg. Po ukončení modelace zbylo v modelové oblasti cca 72600 kg, z nichţ cca 71900 kg náleţí sorbované části znečištění a cca 700 kg náleţí volně pohyblivé části znečištění.
50
Obrázek 3.21 Výstup modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace
51
3.8 Diskuse 3.8.1 Posouzení základního modelu proudění podzemních vod Z modelu základního proudění podzemních vod, jehoţ výsledky jsou popsány v kapitole 3.7.1.1 je patrné, ţe v modelovém území dochází pod areálem ČOV k mírnému vzdutí HPV a k následnému částečnému obtékání areálu podzemními vodami. Tento jev je nejspíše zapříčiněn kombinací dvou faktorů: zanořením odkalovacích nádrţí do kvartérního kolektoru a zatíţením, které je vyvoláno samotnou výstavbou areálu ČOV. Navezení cca 2m silné vrstvy naváţky a následná výstavba jednotlivých objektů ČOV má pravděpodobně za následek sesedání půdních částic v kolektoru a zmenšení pórů mezi nimi. Lokální zmenšení velikosti pórů pod areálem ČOV sniţuje průtok v místě zátěţe a část podzemní vody, která by za normálních okolností proudila pod areálem ČOV se mírně vzdouvá a obtéká jej. Chybu mezi modelovými a reálnými daty vyjádřenou s pomocí kritéria RMSE na 5% hodnotím jako velmi dobrou. Takto přesného výsledku bylo dosaţeno díky nízkým sklonům jednotlivých vrstev, jejich dobrému popisu a malé velikosti modelového území. 3.8.2 Posouzení modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace Z modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace, jehoţ výsledky jsou popsány v kapitole 3.7.1.2 je patrný gradient proudění směřující k jiţnímu rohu areálu ČOV vyvolaný čerpáním na sanačních vrtech. Konkrétně je k vrtům, nacházejícím se v tomto rohu sveden většinový objem podzemních vod z území pod areálem ČOV. Tato lokální změna proudění je předpokládaná v návrhu technického řešení sanace. Hydraulický model potvrzuje tento předpoklad, který je velmi důleţitý pro efektivní fungování sanačního zásahu. Další lokální změna gradientu proudění zapříčiněná vlivem sanačního čerpání je lokální změna směru proudění v území mezi areálem ČOV a korytem Staré Moravy. Odčerpávání kontaminace z tohoto území, které je umoţněno díky změně gradientu, je brzděno PTS. Při sanačním zásahu v této oblasti pravděpodobně dochází pouze k odčerpávání mísitelné části znečištění. Nemísitelná část zůstává neodčerpána vně PTS. Mnoţství kontaminace mezi areálem ČOV a korytem Staré Moravy je vzhledem k mnoţství kontaminace přímo pod areálem ČOV zanedbatelné, coţ potvrzuje důleţitost výstavby PTS, která zadrţuje znečištění pod zmíněným areálem. Při celkovém posouzení hydraulické efektivity sanačního zásahu podle výsledků modelu je zásah efektivně navrţen. Podzemní vody z celé kontaminované oblasti s mírným přesahem jsou odčerpávány sanačním čerpáním. Intenzita čerpání a jeho rozloţení je dostatečné pro efektivní odčerpávání sanace, nedochází při něm k úniku kontaminovaných vod z území pod areálem ČOV. Pod PTS je umoţněn průtok podzemních vod, coţ zaručuje přirozené proudění podzemních vod po ukončení sanace. PTS za absence čerpání na sanačních vrtech vyvolává mírné vzdutí HPV o velikosti do 0,1 m. Velikost vzdutí je dostatečně malá, aby neovlivnila stabilitu objektů v areálu ČOV. Sanační čerpání vyvolává sníţení HPV o velikostech do 0,3 m. Velikost sníţení je dostatečně malá, aby neovlivnila stabilitu objektů v areálu ČOV.
52
3.8.3 Posouzení základního modelu transportu kontaminantu Z modelu základního transportu kontaminantu, jehoţ výsledky jsou popsány v kapitole 3.7.2.1 je patrný přirozený velmi pomalý pohyb kontaminantu v JV směru proudění podzemních vod. Vysoká sorpce, která je příčinou nízké rychlosti přirozeného transportu zaručuje dlouhodobý stálý zdroj znečištění pro kontaminovanou lokalitu. Znečištění přirozeně infiltruje do koryta Staré Moravy, čímţ se dostává do povrchových vod. Tato infiltrace je z hlediska čistoty povrchových vod neţádoucí. Sanační zásah by jí měl zamezit a odčerpat znečištění z povrchových vod adekvátním způsobem. Chyba mezi modelovými a reálnými daty vyjádřená s pomocí kritéria RMSE je 43%. Takto vysoké chyby je dosaţeno díky nepřesné interpolaci počáteční koncentrace, chybám, jeţ vznikly při odběru a zpracování vzorků kontaminovaných vod, nehomogenitě výskytu kontaminovaných vod v ploše, chybně odhadnutým lokálním transportním podmínkám a dalším aspektům, které se nepodařilo podchytit při definici modelu. Tyto chyby nelze odstranit, lze je pouze zmírnit. Z výše popsaných důvodů povaţuji chybu 43 % za uspokojivou. 3.8.4 Posouzení modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace Z modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace, jehoţ výsledky jsou popsány v kapitole 3.7.2.2, je patrné, ţe vlivem sanačního zásahu v modelovém území dochází ke zmenšení koncentračního mraku pod areálem ČOV a odčerpání veškerého s vodou mísitelného znečištění mezi areálem ČOV a korytem Staré Moravy. Z původních cca 77600 kg je podle modelového řešení za dobu 24 měsíců navrţeným sanačním zásahem odčerpáno cca 5000 kg kontaminantu. Po ukončení sanačního zásahu tedy v modelovém území zůstane cca 72600 kg znečištění. Z uvedených výsledků vyplývá, ţe většina kontaminantu po navrhované sanaci zůstává neodčerpána. Tento jev je pravděpodobně zapříčiněn vysokou sorpcí, definovanou pro tuto oblast. Prosté čerpání na sanačních vrtech nedokáţe většinovou část kontaminace v takto krátkém časovém úseku z modelového území odstranit. Díky sanačnímu čerpání je však kontaminace uchycena pod areálem ČOV, takţe nedochází k jejímu rozšiřování a infiltraci do koryta Staré Moravy, ale naopak dochází ke značné redukci kontaminované oblasti. Celkově podle modelového řešení plní sanační zásah svůj úkol soustředění kontaminace v okolí sanačních vrtů. Díky soustředění kontaminace v okolí sanačních vrtů a spádovému gradientu v okolí sanačních vrtů, který je vyvolán čerpáním na spodních čerpadlech, jsou schopna horní čerpadla odčerpat plovoucí nemísitelnou část znečištění, která není sorbována na horninovém prostředí. Sanace však není schopna odstranit převáţnou část znečištění, které je sorbováno na horninovém prostředí. Tato část kontaminace bude po ukončení sanace potenciálním zdrojem znečištění. Mísitelná část uvolněného znečištění bude pravděpodobně podtékat PTS a dále infiltrovat do koryta Staré Moravy. Zbytek nemísitelné plovoucí pohyblivé části znečištění, které se nepodařilo odčerpat sanačním zásahem nebo která je adsorpcí uvolněna, však zůstane zachycen PTS pod areálem ČOV a nebude se nadále podílet na kontaminaci okolí ČOV a Staré Moravy. Do budoucna by po delším časovém úseku (alespoň 5 let) bylo vhodné obnovit čerpání na sanačních vrtech kvůli odčerpání zbytku nemísitelné části znečištění, který je zachycen PTS. 53
3.8.5 Návrh opatření pro zlepšení efektivity sanačního zásahu Vzhledem k vysoké zbytkové kontaminaci, která podle modelu zůstane pod areálem ČOV po ukončení sanace by bylo vhodné tuto sanaci zefektivnit. Pro zefektivnění sanace navrhuji kombinaci injektáţe povrchově aktivní látky (dále PAL) s injektáţí biopreparátu. Tyto injektáţe by byly provedeny za pomoci injekčních vrtů přímo do kontaminovaného kvartérního pod areálem ČOV. Při navrhovaném řešení by byla nejprve injektována PAL. Aplikace této látky by měla za následek sníţení sorpčních sil, které váţou kontaminaci na povrch částeček horninového prostředí. Díky tomu by došlo k uvolnění části sorpcí vázané kontaminace, která by následně byla čerpáním na sanačních vrtech odstraněna. Tato injektáţ by byla provedena jednorázově na všech vrtech. Čerpání na sanačních vrtech by mělo odstranit nejenom uvolněnou část kontaminace, ale i zbytky injektované PAL. Ta by mohla v případě jejího ponechání v kvartérním kolektoru potencionálně působit jako nový zdroj znečištění. Po odčerpání uvolněné kontaminace a zbytků PAL by byla provedena injektáţ biopreparátu. Jedná se o půdní bakterie, které svou činností rozkládají ropné látky na jednoduché organické látky a oxid uhličitý. Tyto bakterie většinou potřebují ke své činnosti kyslík, který se za normálních okolností nachází v půdním vzduchu jen velmi málo. Pro podporu biodegradačních bakterií je třeba půdní vzduch tímto prvkem obohatit. Vzhledem k tomu, ţe se v kontaminované oblasti vyskytuje velké mnoţství vrtů, je zajištěn i přístup kyslíku k injektovaným bakteriím. Pakliţe by tento přísun kyslíku nestačil a biodegradační bakterie by vlivem jeho nedostatku neplnily svou funkci, lze podpořit jejich činnost aktivním vháněním atmosférického vzduchu do půdního prostředí za pouţití kompresorů. Takto navrţené zlepšení by sice vedlo ke zvýšení nákladů na sanaci, spjatými hlavně s aplikací PAL a biopreparátu, s vyčištěním podzemních vod od PAL a s případnou instalací kompresorů pro podporu funkce biodegradačních bakterií, zároveň by však vedlo ke značné redukci kontaminačního mraku, který se nachází pod areálem ČO a který je dlouhodobým zdrojem znečištění pro koryto Staré Moravy.
54
4. Závěr Pro mou závěrečnou diplomovou práci byl záměrně zvolen reálný modelový příklad transportu kontaminantu v horninovém prostředí. Díky tomu jsem se naučil dovednosti týkající se získávání terénních hydrogeologických dat, jako je např. měření HPV ve vrtech, odběr vzorků podzemních vod, vrtání hydrogeologických sond, terénní spolupráce s geodety a kalibrace automatických hladinových sond ve vrtech. Dále jsem se naučil tato terénní data zpracovávat pro potřeby matematických modelů proudění v porézním prostředí, samotnou konstrukci těchto modelů, která byla pomyslným těţištěm této práce, vizualizaci výstupů těchto modelů a hodnocení těchto výstupů. Tato práce si kladla za svůj hlavní cíl kompletní výstavbu stacionárních a nestacionárních modelů, popisujících proudění podzemních vod a s nimi spjatý transport ve vodě mísitelných částí ropného znečištění v kvartérním kolektoru pod areálem ČOV Hodonín a v jeho blízkém okolí za přirozeného stavu a za probíhajícího sanačního zásahu. Dalšími cíly této práce bylo získání a zpracování vstupních dat, vizualizace modelových výstupů, zhodnocení efektivity sanace a návrh případného zefektivnění sanačního zásahu. Při konstrukci modelů proudění v porézním prostředí byly zkonstruovány dva stacionární a dva nestacionární modely. Při vytváření těchto modelů bylo vyuţito programu Vizual MODFLOW. Stacionární modely popisují proudění podzemních vod v modelovém území. První model znázorňuje přirozené proudění podzemních vod a definuje vzdutí hladin podzemních vod a částečné obtékání areálu ČOV. Druhý model znázorňuje proudění podzemních vod za probíhajícího sanačního zásahu a definuje jím vyvolané změny proudění. Nestacionární modely popisují transport s vodou mísitelných zbytků po ropné těţbě v modelovém území. První model znázorňuje přirozený transport kontaminantu a definuje velmi pomalý přirozený transport ve směru proudění podzemních vod a infiltraci kontaminantu do koryta Staré Moravy. Druhý model znázorňuje objemové změny koncentrací vyvolané za probíhajícího sanačního zásahu a definuje jím vyvolané zmenšení kontaminačního mraku a jeho zachycení pod areálem ČOV. Při získávání a zpracovávání vstupních dat byla nejprve zpracována jiţ existující naměřená a vygenerovaná data, získaná z databáze firmy VODNÍ ZDROJE, a.s. Konkrétně se jednalo o zpracování dat popisující geometrii modelového území, transportní charakteristiky modelového území (nasycené hydraulické vodivosti, disperzivita, distribuční koeficienty, vstupní koncentrace,…) a kóty HPV ve vrtech a hladin povrchových vodotečí. Tato data bylo nutné kvůli jejich neúplnému popisu modelového území doplnit. Doplnění bylo provedeno za pomoci terénních měření a jejich následné implementace do původních dat. Vizualizace výstupů byla znázorněna mapovými výstupy, které byly vytvořeny v programu ArcGIS. Sledované jevy zde byly znázorněny za pomoci izolinií.
55
Z hlediska efektivity sanačního zásahu modely odhalily, ţe sanační čerpání zvládá vytvořit potřebný hydraulický gradient v okolí sanačních vrtů, potřebný k odčerpání fáze znečištění, plovoucí na HPV, nezvládá však odčerpat většinovou část kontaminace, která je sorbována v horninovém prostředí pod areálem ČOV. Pro zefektivnění sanačního zásahu byla navrţena kombinace injektáţe PAL a biopreparátu, která by poslouţila k výraznému sníţení kontaminace ropnými látkami pod areálem ČOV a v jejím okolí. Jednotlivé výstupy kvalitativně vyhovují poţadavkům firmy VODNÍ ZDROJE a.s., která je zadavatelem tohoto projektu. Výsledky mé práce budou vyuţity, při řízení a zefektivňování sanačního zásahu.
56
Seznam použité literatury
BEAR, J. & BUCHLIN, J. M., 1987: Modelling and Applications of Transport Phenomena in Porous Media, Kluwer academic publishers. Dordrecht / Boston / London.
CÍSLEROVÁ, M. & VOGEL, T., 1998: Transportní procesy, ČVUT. Praha.
ČERNÝ, M., 2009: Model proudění podzemní vody a transportu chlorethylenů v areálu OZ CHEMIE Horní Počernice. Diplomová práce, KVHEM, ČZU. Praha.
DARCY, H., 1856: The Public Fountains of the Town of Dijon, Dalmont. Paris
HOKR, M., 2005: Transportní procesy. Skriptum TUL. Liberec.
JAIN, J. K., 1976: Fluid machanics, Khanna publishers. Delphi.
KOŠULIČOVÁ, M., & kol., 2010: Analýza rizika ohroţení jímacího území nedostatečně zlikvidovanými sondami po těţbě ropy a zemního plynu v CHOPAV Kvartér řeky Moravy. Technická zpráva. VODNÍ ZDROJE, a.s. Praha.
KOUŘIL, Z., 1970: Podzemní vody údolí řeky Moravy, Academia. Brno.
KRÁSNÝ, J., & kol., 2012: Podzemní vody České republiky, Česká geologická sluţba. Praha.
KUČERA, R., 2008: Numerické Metody. Skriptum VŠB. Ostrava.
KURÁŇ, P., NOVÁKOVÁ, J., JANOUŠ, P., 2011: Moţnosti stanovení uhlovodíků C10 – C40 v kompostech a kalech metodou plynové chromatografie s plamenově ionizačním detektorem s klasickým injektorem s děličem a bez děliče toku. Chemické listy 105: 133 – 137 s.
KURÁŢ, M., 2011: Numerical Solution of the Flow and Transport Equatioms in Porous Medium with the Dual Permeability Conceptual Approach, VeRBuM. Praha.
KUTÍLEK, M., KURÁŢ, V., CÍSLEROVÁ, 2004: Hydropedologie 10. Skriptum ČVUT. Praha.
MARYŠKA, J., HOKR, M., KRÁLOVCOVÁ, J., ŠEMBERA, J., 2010: Modelování transportních procesů v horninovém prostředí, TUL, ARTEC. Liberec.
MELKES, F., ŘEZÁČ, M., 2007: Matematika 2. Skriptum VUT. Brno.
MILLINGTON, R. J., QUIRK, J. M., 1961: Permeability of Porous Solids, Trans. Faraday soc., 57, 1200 – 1207.
NEWEL, C. J., ACREE, S. D., ROSS, R. R., HULLING, S. G., 1992: Light Nonaqueous Phase Liquids, EPA. Washington D. C.
NUTTING, P. G., 1930: Physical Analysis of Oil Sands, AAPG. Bulletin.
PANDAY, S., WU, Y. S., HUYAKORN, P. S., WADE, S. C., SALEEM, Z. A., 1997: A composite numerical model for assessing subsurface transport of oily wastes and chemici constituents. Journal of Hydrology 25: 35 – 62 s.
57
PINTÉR, L., CÉDLOVÁ, J., 2011: Sanace starých ekologických zátěţí – nedostatečně zlikvidovaných sond po těţbě ropy a zemního plynu v sektoru I CHOPAV Kvartér řeky Moravy. Technická zpráva. VODNÍ ZDROJE, a.s. Praha.
POPE, G. E., & kol., 1999: THREE-DIMENSIONAL NAPL FATE AND TRANSPORT MODEL, EPA. Washington D. C.
REKTORYS, K., 1997: Obyčejné a parciální diferenciální rovnice s okrajovými podmínkami. Scriptum ČVUT. Praha.
RIPPELOVÁ, V., JANKŮ, J., KUBAL, M., 2009: Modelování sorpce těkavých organických látek na jílové zeminy s přirozeným obsahem organického uhlíku, VŠCHT. Praha.
VALENTOVÁ, J., 2007: Hydraulika podzemní vody. Skriptum ČVUT. Praha.
Internetové zdroje
ESRI, 2012: ArcGIS. ESRI, online: http://www.esri.com/software/arcgis, cit 30. 7. 2012
GOLDENSOFTWARE, 2012: Surfer 10, online: http://www.goldensoftware.com/products/surfer, cit. 30. 7. 2012
EPA, 2012: BIOSCREEN, online: http://www.epa.gov/ada/csmos/models/bioscrn.html, cit 12. 9. 2012
Seznam vzorců
(1) – Darcyho zákon
(2) – Hydraulická výška
(3) – Darcy – Buckinghamův zákon
(4) – Reynoldsovo číslo
(5) – Tenzor hydraulické vodivosti v Darcy – Buckinghamově zákoně
(6) – Tenzor hydraulické vodivosti v Darcy – Buckinghamově zákoně ve sloţkách
(7) – Výpočet hydraulické vodivostá
(8) – Definice nasycené zóny
(9) – Rovnice nestacionárního proudění
(10) – Obecná rovnice nestacionárního proudění v porézním prostředí
(11) – Richardsova rovnice
(12) – Advekční tok
(13) – Disperzní tok
(14) – Obecný tvar advekčně disperzní rovnice
(15) – Zjednodušený tvar advekčně disperzní rovnice
(16) – Tenzor molekulární difuze 58
(17) – Tortuozita
(18) – Tenzor tortuozity
(19) – Tenzor mechanické disperze
(20) – Peclétovo číslo
(21) – Základní rovnice pro výpočet nekonzervativního transportu
(22) – Transport sorbující látky
(23) – Mnoţství látky adsorbované na pevnou fázi
(24) – Lineární sorpce
(25) - Freundlichova izoterma
(26) – Rovnice pro výpočet nekonzervativního transportu s dosazením lineární izotermy a vzorce pro výpočet mnoţství látky adsorbované na pevnou fázi
(27) – Rovnice pro výpočet nekonzervativního transportu po zavedení retardačního faktoru
(28) – Retardační faktor
(29) – Produkční člen – Extrakce
(30) - Produkční člen – Injekce
(31) – Podmínky proudění samotného NAPLu v porézním prostředí
(32) – Vztah mezi kapilární tlakovou výškou a kapilární elevací v kruhové kapiláře
(33) – Vztah mezi retenčními křivkami pro vodu a NAPL
(34) – Vztah mezi hydraulickou vodivostí a permeabilitou 1.
(35) - Vztah mezi hydraulickou vodivostí a permeabilitou 2.
(36) – Hierarchie sočivosti pro systém voda – NAPL – vzduch
(37) – Tlakové výšky systému voda – NAPL – vzduch
(38) – Funkce popisu nasycenosti třífázového systému
(39) – Rovnice popisující transport v třífázovém proudění
(40) – Obecný tvar rovnic popisujících transport v třífázovém proudění
(41), (42) – Vztahy popisující metodu sítí
(43) – Laplaceův operátor
(44) – Původní derivace v metodě sítí
(45) – Výsledné rovnice metody sítí
(46), (47), (48), (49) – Vztahy popisující explicitní metodu
(50), (51) – Výsledné rovnice pro výpočet hodnot v síti bodů explicitní metodou
(52) – Podmínka pouţití explicitního schématu
(53) - Výsledné rovnice pro výpočet hodnot v síti bodů implicitní metodou
(54) – Rovnice pro výpočet podélné disperzivity
59
Seznam použitých zkratek
n – movitost
D – tenzor hydrodynamické disperze
k – permeabilita (propustnost)
τ – koeficient tortuozity
ρ – hustota
I – jednotkový tenzor
μ – dynamická viskozita
Pe – Pécletovo číslo
σ – povrchové napětí
P – produkční člen znázorňující zdroje
υ – úhel sočivosti
KH – Henryho konstanta
kd – distribuční koeficient
REV – reprezentativní elementární
Kd – sorptivita prostředí
objem
foc – obsah celkového uhlíku
a propady
rozpuštěného ve vodě
- hustota toku
H – hydraulická výška
R – retardační faktor
h – tlaková výška
S – intenzita extrakce / injekce nebo
z – geodetický výškový vektor
θ – vlhkost
NAPL – látka nemísitelná s vodou
Re – Reynoldsovo číslo
LNAPL – NAPL s niţší hustotou neţli
de – efektivní velikost zrna
Ks – nasycená hydraulická vodivost
- NABLA operátor
- Laplaceův operátor
stupeň nasycení
voda
DNAPL – NAPL s vyšší hustotou neţli voda
OPP – okrajové a počáteční podmínky
ADE – advekčně disperzní rovnice
ČOV – čistírna odpadních vod
c – koncentrace
NEL – nepolární extrahovatelná látka
w – relativní rychlost
HPV – hladina podzemních vod
Daα – koeficient hydrodynamické
DTM – digitální model terénu
disperze
PTS – podzemní těsnící stěna
ε – objemový podíl
RMSE – střední kvadratická chyba
PAL – povrchově aktivní látka
60
Seznam obrázků
Obrázek 2.1 Proudění LNAPLu (Panday et al., 1997)
Obrázek 2.2 Proudění DNAPLu (Panday et al., 1997)
Obrázek 2.3 Metoda sítí (Rektorys, 1997)
Obrázek 2.4 Explicitní schéma (Rektorys, 1997)
Obrázek 2.5 Implicitní schéma (Rektorys, 1997)
Obrázek 3.1 Sanační objekty v areálu ČOV Hodonín
Obrázek 3.2 Koncept základního hydraulického modelu proudění podzemních vod
Obrázek 3.3 Koncept hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace
Obrázek 3.4 Koncept základního modelu transportu kontaminantu
Obrázek 3.5 Koncept transportu kontaminantu za podmínek sanace
Obrázek 3.6 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, půdorys
Obrázek 3.7 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, řez A – A´
Obrázek 3.8 OPP Základní hydraulický model proudění podzemních vod, řez B – B´
Obrázek 3.9 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, půdorys
Obrázek 3.10 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, řez A – A´
Obrázek 3.11 OPP Hydraulický model proudění podzemních vod za podmínek sanace, řez B – B´
Obrázek 3.12 OPP Základní model transportu kontaminantu, půdorys
Obrázek 3.13 OPP Základní model transportu kontaminantu, řez A – A´
Obrázek 3.14 OPP Základní model transportu kontaminantu, řez B – B´
Obrázek 3.15 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace, půdorys
Obrázek 3.16 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace řez A – A´
Obrázek 3.17 OPP Model transportu kontaminantu za podmínek sanace, řez B – B´
Obrázek 3.18 Výstup základního hydraulického modelu proudění podzemních vod
Obrázek 3.19 Výstup hydraulického modelu proudění podzemních vod za podmínek sanace
Obrázek 3.20 Počáteční koncentrace kontaminantu
Obrázek 3.21 Výstup základního modelu transportu kontaminantu
Obrázek 3.22 Výstup modelu transportu kontaminantu za podmínek sanace
Seznam tabulek
Tabulka 2.1 Průměrné měsíční teploty vzduchu ve °C za období 1951 - 1980, měřené ve Stráţnici
Tabulka 2.2 Úhrny sráţek v mm za období 2002 – 2008, měřené ve Stráţnici 61
Seznam vzorců (1) – Darcyho zákon
lineární izotermy a vzorce pro výpočet
(2) – Hydraulická výška
mnoţství látky adsorbované na pevnou fázi
(3) – Darcy – Buckinghamův zákon
(27) – Rovnice pro výpočet
(4) – Reynoldsovo číslo
nekonzervativního transportu po zavedení
(5) – Tenzor hydraulické vodivosti v Darcy
retardačního faktoru
– Buckinghamově zákoně (6) – Tenzor hydraulické vodivosti v Darcy – Buckinghamově zákoně ve sloţkách (7) – Výpočet hydraulické vodivostá
(28) – Retardační faktor (29) – Produkční člen – Extrakce (30) - Produkční člen – Injekce (31) – Podmínky proudění samotného NAPLu v porézním prostředí
(8) – Definice nasycené zóny (9) – Rovnice nestacionárního proudění
(32) – Vztah mezi kapilární tlakovou výškou a kapilární elevací v kruhové
(10) – Obecná rovnice nestacionárního
kapiláře
proudění v porézním prostředí (11) – Richardsova rovnice
(33) – Vztah mezi retenčními křivkami pro vodu a NAPL
(12) – Advekční tok (13) – Disperzní tok
(34) – Vztah mezi hydraulickou vodivostí a permeabilitou 1.
(14) – Obecný tvar advekčně disperzní rovnice
(35) - Vztah mezi hydraulickou vodivostí a permeabilitou 2.
(15) – Zjednodušený tvar advekčně disperzní rovnice
(36) – Hierarchie sočivosti pro systém voda – NAPL – vzduch
(16) – Tenzor molekulární difuze (17) – Tortuozita
(37) – Tlakové výšky systému voda – NAPL – vzduch
(18) – Tenzor tortuozity (19) – Tenzor mechanické disperze (20) – Peclétovo číslo (21) – Základní rovnice pro výpočet nekonzervativního transportu (22) – Transport sorbující látky (23) – Mnoţství látky adsorbované na pevnou fázi (24) – Lineární sorpce (25) - Freundlichova izoterma (26) – Rovnice pro výpočet
(38) – Funkce popisu nasycenosti třífázového systému (39) – Rovnice popisující transport v třífázovém proudění (40) – Obecný tvar rovnic popisujících transport v třífázovém proudění
(41), (42) – Vztahy popisující metodu sítí
(43) – Laplaceův operátor (44) – Původní derivace v metodě sítí (45) – Výsledné rovnice metody sítí
nekonzervativního transportu s dosazením 62
(46), (47), (48), (49) – Vztahy popisující explicitní metodu (50), (51) – Výsledné rovnice pro výpočet hodnot v síti bodů explicitní metodou (52) – Podmínka pouţití explicitního schématu (53) - Výsledné rovnice pro výpočet hodnot v síti bodů implicitní metodou
63
Seznam příloh
Příloha 1: Lokalizace modelového území
Příloha 2: Sanační objekty v areálu ČOV Hodonín
Příloha 3: Přirozená úroveň hladin podzemních vod
Příloha 4: Úroveň hladin podzemních vod za podmínek sanačního čerpání
Příloha 5: Počáteční koncentrace kontaminantu – izolinie kontaminace
Příloha 6: Přirozená změna koncentrace kontaminantu po 100 modelových dnech (dále MD)
Příloha 7: Přirozená změna koncentrace kontaminantu po 365 MD
Příloha 8: Přirozená změna koncentrace kontaminantu po 610 MD
Příloha 9: Změna koncentrace kontaminantu za podmínek sanačního zásahu po 100 MD
Příloha 10: Změna koncentrace kontaminantu za podmínek sanačního zásahu po 365 MD
Příloha 11: Změna koncentrace kontaminantu za podmínek sanačního zásahu po 732 MD
Příloha 12: Rozsah kvartérního kolektoru v okolí modelového území
Příloha 13:Rozdíl mezi kalibrovanými a nekalibrovanými hladinami podzemních vod
Příloha 14: Rozdíl mezi kalibrovanými a nekalibrovanými izoliniemi přirozeného transportu kontaminantu po 610 modelových dnech
Příloha 15: Schematický nákres sanačních objektů
Příloha 16: Vnitřek sanační stanice
Příloha 17: Sanační stanice
Příloha 18: Zhlaví sanačního vrtu
Příloha 19: Objekt chránící technické zařízení sanačního vrtu
Příloha 20: Podzemní těsnící stěna
