بررسی تأثیر غلظت آلودگی بر ضرایب پراکندگی طولی و عرضی محیط متخلخل اشباع

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشکده مهندسی و فناوری کشاورزی گروه مهندسی آبیاری و آبادانی

2 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی، دانشگاه تهران، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی کرج

3 دانشیار گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشکده کشاورزی دانشگاه تهران

4 گروه مهندسی آبیاری و آبادانی دانشگاه تهران

چکیده

در مقاله حاضر با بکارگیری یک مدل دو بعدی افقی آزمایشگاهی به بررسی اثر تغییر غلظت آلودگی بر ضرایب پراکندگی طولی و عرضی محیط متخلخل اشباع پرداخته شده است. محلول کلرید سدیم با پنج غلظت متفاوت 2.5، 5، 7.5، 10 و 12.5 گرم در لیتر به عنوان ردیاب استفاده شد. مقادیر غلظت در گام های زمانی یک ثانیه به وسیله ی رابطه حاصل از حل تحلیلی معادله دو بعدی همرفت – پخشیدگی با بهینه سازی ضرایب پراکنده پذیری طولی و عرضی برآورد و سپس با مقادیر اندازه گیری شده مقایسه شد. نتایج نشان داد که مقادیر پراکنده پذیری طولی با افزایش غلظت افزایش و مقادیر پراکنده پذیری عرضی با افزایش غلظت کاهش می یابد. همچنین سرعت پخش آلودگی در جهت طولی بیشتر از سرعت پخش آن در جهت عرضی است. به بیان دیگر سهم همرفت در انتقال آلودگی بیشتر از سهم پراکندگی هیدرودینامیکی است. بر اساس نتایج، مقدار کاربردی و قابل استفاده ضرایب پراکنده پذیری طولی برای شرایط اندازه گیری شده برای غلظت های 2.5، 5، 7.5، 10 و 12.5 گرم بر لیتر به ترتیب برابر 1012*3.57، 1013*2.29، 1013*3.57، 1013*7.43 و 1014*2.16 متر و مقادیر ضرایب پراکنده پذیری عرضی در محدوده ای مشابه به ترتیب برابر 27800، 26400، 25800، 25200، 24900 متر بدست آمد. ضمناً با افزایش فاصله از نقطه رهاسازی ردیاب مقادیر پراکنده پذیری طولی کاهش ناچیزی داشت، اما مقادیر پراکنده پذیری عرضی با افزایش فاصله از نقطه رهاسازی ردیاب افزایش یافت.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Laboratory study on the effects of tracer concentration changes on longitudinal and transverse dispersion coefficients in saturated porous media

نویسندگان [English]

  • Zahra Mardani 1
  • Kumars Ebrahimi 2
  • Shahab Araghinejad 3
  • Abdolmajid Liaghat 4
1 University College of Agriculture and Natural Resources Faculty of Agricultural Engineering and Technology Department Of Irrigation and Reclamation
2 Department of Irrigation and Reclamation Engineering, University of Tehran
3 Irrigation & Reclamation Engineering Dept. & Faculty of Agricultural Engineering and Technology University of Tehran, Karaj, IRAN.
4 Professor of University of Tehran
چکیده [English]

Details are given of an experimental study of the effects of changes in concentration of pollution on longitudinal and transverse dispersion coefficients in saturated porous media. A 2D physical model was constructed to enable observations and measurements to be made of pollution transport through a saturated horizontal layer of sand of 0.18 m thickness. Water soluble sodium chloride salt with 5 different concentrations, i.e. 2.5, 5, 7.5, 10 and 12.5 g/l, was used as a tracer. Tracer concentrations were estimated in different time steps by means of an equation, which was derived from the analytical solution of the original 2D Advection-Diffusion equation, involving optimizing longitudinal and transverse dispersion coefficients. The estimated results were compared to the measured laboratory data. According to the results, increasing concentration leads to decrease in longitudinal dispersibility values and increase in transverse dispersibility values. It was found that tracer's diffusion speed in the longitudinal direction is more than its speed in lateral direction. In fact, contribution of advection in transmission of pollution is greater than contribution of diffusion. Based on the results, the usable value of the tracer's longitudinal distribution coefficient in measured conditions and for all the concentrations, mentioned above, is equal to 1/53*1013 meters and the values of the transverse dispersibility coefficients of the above-mentioned concentrations are 27800, 26400, 25800, 25200, 24900 meters. Meanwhile, decrease in longitudinal dispersion was negligible by taking more distance from the tracer release source. However, transverse dispersion values increased with taking more distance from the tracer release source.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Analytical Solution
  • Dispersion coefficients
  • Laboratory model
  • Tracer

فراستی، معصومه و سیدمرتضی سیدیان. (1392). اثر فاصله انتقال بر انتشارپذیری کلرید سدیم با استفاده از نرم افزار HYDRUS 2D، نشریه آب و خاک مشهد، 7(4) ، 823-831.   

قهرمانی­تبار، م، خلفی ،ح، ابراهیمی ،ک، مردانی، ز. (1396). پایش حرکت MTBE در محیط متخلخل اشباع با استفاده از مدل فیزیکی. مجله هیدروژئولوژی دانشگاه تبریز.

محمودی، م. 1390، تخمین پارامترهای انتقال املاح با استفاده از مقادیر هیدرولیک خاک. رساله دکتری گروه فیزیک خاک دانشگاه تهران.

محمودیان­شوشتری. م، (۱۳۹۴). هیدرولیک آبهای زیرزمینی. انتشارات دانشگاه شهید چمران اهواز، 664 صفحه.

معروف­پور، عیسی و حیدرعلی کشکولی و هادی معاضد و محمدولی سامانی. (1384). بررسی وابستگی انتشارپذیری خاک به ضخامت آن در خاک های ماسه ای همگن اشباع. مجله علوم دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، 14، 16-29.

میرزائی، ق. مظاهری،م. سرخوش،پ و نوروزی، ر. (۱۳۹۴). اعتبارسنجی برآورد آزمایشگاهی پارامترهای انتشارپذیری در محیط متخلخل با نرم­افزار FEFLOW، دومین همایش ملی صیانت از منابع طبیعی و محیط زیست، اردبیل، دانشگاه محقق اردبیلی.

میرعبدالعظیمی، م. ملک پور،ا. اسمعیلی ورکی،م و گلمائی،ح. (۱۳۹۳). مقایسه روشهای تحلیلی و عددی در ارزیابی انتقال آلودگی در محیط متخلخل، اولین کنفرانس ملی مکانیک خاک و مهندسی پی، تهران، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، دانشکده عمران دانشگاه شهید رجایی.

ناظم، م.ر، ابراهیمی، ک. لیاقت، ع. عراقی نژاد، ش. (۱۳۹۶). مطالعه حرکت آلودگی در محیط متخلخل اشباع با استفاده از مدل فیزیکی، چهارمین کنفرانس بین المللی برنامه ریزی و مدیریت محیط زیست، تهران، دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران.

ناظم، م.ر، ابراهیمی، ک. لیاقت، ع. عراقی نژاد، ش. (۱۳۹۶). تخمین آزمایشگاهی ضرایب پراکندگی طولی و عرضی رسوبات ماسه­ای در حالت اشباع، مجله مهندسی عمران دانشگاه صنعتی شریف.

Al-Tabbaa A., Ayotamuno J. And Martin R. (2000), One-dimensional solute transport in stratified sands at short travel distances. Journal of hazardous materials, 73(1): 1-15.

Andersona S.H., Haeffnerb B. and Peytonc R.L. (2012). Influence of Scale on Chemical Dispersivity in Geomedia, Procedia Computer Science 12:242 – 247.

Balakotaiah V, Chang H.C (1995), Dispersion of chemical solutes in chromatographs and reactors. Philosophical Transactions - Royal Society. Mathematical, Physical and Engineering Sciences 351:39–75.

Batu V (1998) Aquifer Hydraulics: A Comprehensive Guide to Hydrogeologic Data Analysis, 721p

Baumeister E, Klose U, Albert K, Bayer E, Guiochon G, (1995), Determination of the apparent transverse and axial dispersion coefficients in a chromatographic column by pulsed field gradient nuclear magnetic resonance. Journal of Chromatography. 694:321–331.

Bear, J., Bachmat, Y ., (1990). Introductionto modeling of transport phenomena in porous media, kluwer Academic Publisher, Dordrecht.

Bishop J.J, Popel A.S, Intaglietta M, Johnson P.C. (2002), Effects of erythrocyte aggregation and venous network geometry on red blood cell axial migration. American Journal of Physiology. Heart and Circulatory Physiology 283 (5):H1985–H1996

Blackwell R.J. (1962), Laboratory studies of microscopic dispersion phenomena. Society of Petroleum Engineers Journal 2:1–8

Chapuis R.P, Gill D.E & Baass K. (1989), Laboratory permeability tests on sand: Influence of the compaction method on anisotropy. Can. Geotech Journal 26:614-622

Chiogna G, Eberhard C, Grathwohl P, Cirpka O, Rolle M. (2010), Evidence of Compound-Dependent Hydrodynamic and Mechanical Transverse Dispersion by Multi tracer Laboratory Experiments, Environ. Sci. Techno journal 44:688–693

Citarella D, Cupola F, Giovanna Tanda M, Zanini A. (2015), Evaluation of dispersivity coefficients by means of a laboratory image analysis, Journal of contaminant hydrology 172:10-23

De Josselin de Jong G, van Duijn H. (1986), Transverse dispersion from an originally sharp fresh-salt interface caused by shear flow. Journal of Hydrology 84:55–79

Domenico P. A, Palciauskas V. V. (1982), Alternative boundaries in solid waste management. Ground Water journal 20(3):303–311

Ebrahimi, K. and Falconer, R.A. (2015), Development of an Integrated Free Surface and Groundwater Flow Model, LAP Lambert Academic Publishing, Saarbrucken, Germany, pp.268.

Ebrahimi K, Nazem M.R, Mardani Z, Araghinejad Sh and Liaghat A. (2018), Estimation of Longitudinal and Transverse Dispersion Coefficients in Saturated Porous Media Involving Physical Model, HIC 2018. 13th International Conference on Hydroinformatics, EPiC Series in Engineering (3):643-650

Fadaei Tehrani, M.R., R. Feizy, and H. Jahanian. (2016), New Approach for Approximation of Dispersivity in Porous Media, Journal of Structural Engineering and Geo-Techniques, 6(2).

Fried J.J, Comparnous M.A. (1971), Dispersion in porous media, in Chow, V.T. (Ed.), Advances in Hydroscience. Academic Press, New York. (7):169–282

Gaganis P, Skouras E.D, Theodoropoulou M.A, Tsakiroglou C.D, Burganos V.N. (2005), On the evaluation of dispersion coefficients from visualization experiments in artificial porous media. Journal of Hydrology 307(1):79-91

https://en.wikipedia.org/wiki/peclet number, (last access 29 March 2018, UTC)

Jiang, J., Wu, J., (2011) “A Transition rate transformation method for solving advection –dispersion equation”. J. of Computational Physics, vol.230, pp.5556-5563.

Mardani Z, Ebrahimi K, Jafari A (2018) Experimental Study on Sorption and Desorption of NaCl to Sand Using a Physical Model, HIC 2018. 13th International Conference on Hydroinformatics, EPiC Series in Engineering (3):1306-1315

Marinov I. & Marinov A. M (2014) The influence of a municipal solid waste landfill on groundwater quality: a modeling case study for raureni–ramnicu valcea (romania), Journal of International Journal of Computational Methods and Experimental Measurements 2(2):184–201

Naqvi S, Mo K, Kim M A (2012) Case Study on the Relationship between Conductivity and Dissolved Solids to Evaluate the Potential for Reuse of Reclaimed Industrial Wastewater. KSCE Journal of Civil Engineering 16(5):708-713

Olsson A, Grathwohl P (2007) Transverse dispersion of non-reactive tracers in porous media: A new nonlinear relationship to predict dispersion coefficients, Journal of contaminant hydrology 92(3):149-161

Priya M, Yamini Roja S, Sidhardhan S, Perumal B (2015) Study on Two Dimensional Dispersion of Pollutants through Porous Media, International Journal of Innovative Research in Engineering & Management (IJIREM) 3(1)

Sahimi M (1995) Flow and transport in porous media and fractured rock: from classical methods to modern approaches. VCH, Weinheim

Sun N (1983) A proposed upstream weight numerical method for simulating pollutant groundwater”, Water resource (19):1489-1500

Terzaghi C (1952) principles of soil mechanics. Determination of permeability of clay. Engineering News Records 95(21):836-832

Van Genuchten, M. Th., and Wierenga, P. J. (1986). Solute dispersion coefficient and retardation factors. In methods of soil analysis. Part 1. A. Klut, (ed), 2nd ed. Agronomy. Monograph. 9. Madison, Wisconsin:ASA and SSSA. 1025-1054.

Wang, H. and Anderson M. (1982),”Introduction to groundwater modeling, Finite Difference and Finite Element Methods”,Elsevier Science (USA), pp.237