Συµπεριφορά Βαρέων µη Υδατοδιαλυτών Υγρών (DNAPL) στο Έδαφος. Behaviour of Dense Non Aqueous Phase Liquids (DNAPL) in the Soil

Transcript

1 Συµπεριφορά Βαρέων µη Υδατοδιαλυτών Υγρών (DNAPL) στο Έδαφος Behaviour of Dense Non Aqueous Phase Liquids (DNAPL) in the Soil ΚΟΥΜΟΥΛΟΥ, Ε. SOGA, K. ρ Πολιτικός Μηχανικός, ΚΑΣΤΩΡ ΕΠΕ Senior Lecturer, Cambridge University Engineering Department, Cambridge, UK ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην ανακοίνωση αυτή περιγράφονται αποτελέσµατα µιας σειράς 12 πειραµάτων σε φυγοκεντριστή σε περιβάλλον 2g. Σκοπός των πειραµάτων ήταν να εξεταστεί η επίδραση διαφόρων παραµέτρων στην κίνηση των DNAPL σε κορεσµένο έδαφος. Παρουσιάζονται αποτελέσµατα αριθµητικών αναλύσεων τα οποία συµφωνούν µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα, αλλά και µε τα αποτελέσµατα δοκιµαστικών εφαρµογών DNAPL σε πραγµατικό έδαφος. Οι αριθµητικές αναλύσεις έδειξαν επίσης ότι η συµπεριφορά των DNAPL εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τα χαρακτηριστικά της άµµου, όπως το πορώδες, η διαπερατότητα, η σχέση των τριχοειδών δυνάµεων µε τον βαθµό κορεσµού (P c -S w ), και οι φυσικοχηµικές ιδιότητες του DNAPL. ABSTRACT: This paper presents results of a series of 12 centrifuge tests carried out at 2 g. The aim of these experiments was to examine the effect of the various parameters affecting the DNAPL migration in a saturated layered soil. Results of numerical simulations are also presented and they agree well with the experimental data from this experimental series as well as with the data from controlled field tests available in the literature. Numerical analyses also showed that DNAPL behaviour depends strongly on the sand characteristics such as porosity, permeability, the capillary pressure-saturation curve (P c -S w ) and the DNAPL physical and chemical properties. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα βαρέα µη υδατοδιαλυτά υγρά (Dense Non Aqueous Phase Liquids, ή DNAPL όπως ονοµάζονται) είναι συνήθεις ρυπαντές του υδροφόρου ορίζοντα. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι περισσότεροι χλωριωµένοι διαλύτες όπως το τετραχλωροαιθυλένιο και το τριχλωροαιθυλένιο, µερικά ζιζανιοκτόνα, η πίσσα και το κρεώζοτο. Οι χλωριωµένοι διαλύτες συναντώνται συχνότερα και παρουσιάζουν µεγαλύτερο ενδιαφέρον. Οι χλωριωµένοι διαλύτες είναι βαρύτεροι από το νερό, έχουν µικρότερο ιξώδες και δεν είναι υδατοδιαλυτοί. Για το λόγο αυτό είναι ιδιαίτερα ευκίνητοι µέσα σε υγρό έδαφος. Μικρές περιοχές αυξηµένης περατότητας (σχισµές, ρωγµές, ρίζες ή και χονδρόκοκκη άµµος) λειτουργούν ως δίοδοι, επιτρέποντας στα DNAPL να διανύσουν γρήγορα µεγάλες αποστάσεις. Άλλες σηµαντικές παράµετροι που επηρεάζουν την κίνηση των DNAPL είναι ο βαθµός κορεσµού των πόρων µε DNAPL (S w ), οι τριχοειδείς δυνάµεις (P c ) και η µεταξύ τους σχέση (P c -S w ), η σχετική διαπερατότητα και η γωνία διαβροχής µεταξύ των κόκκων του εδάφους, του νερού και του DNAPL (Cohen, 1993 και Pankow and Cherry, 1996). Στη βιβλιογραφία αναφέρονται πολλά πειράµατα, τα οποία εξετάζουν την κίνηση των DNAPL σε οµοιογενή άµµο και λίγα µόνο πειραµατικά αποτελέσµατα σε ανοµοιογενή εδάφη. Οι ανοµοιογένειες είναι είτε οριζόντιες στρώσεις είτε στατιστικά ορισµένες τυχαίες στρώσεις. Η οριζόντια στρωµατογραφία δεν είναι πολύ συνηθισµένη στην φύση, ενώ στρώσεις διαφορετικών εδαφών µε κλίση ως προς την οριζόντια συναντώνται πολύ συχνότερα. Τέτοιες περιπτώσεις δεν βρέθηκαν στη βιβλιογραφία. Είναι γνωστό ότι η φλέβα του DNAPL σχηµατίζει βολβό κατά την κίνησή της µέσα σε οµοιογενή άµµο. Όµως, η ύπαρξη µικρών εδαφικών ανοµοιογενειών αλλάζει σηµαντικά τόσο το σχήµα όσο και την ταχύτητα κίνησής 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 1

2 της. Όταν η φλέβα κινείται σε ανοµοιογενές πορώδες µέσο, απλώνεται στην διεπιφάνεια µε τα πιο λεπτόκοκκα στρώµατα (Domenico and Schwartz, 1998). Σε αυτές τις περιπτώσεις, παρατηρείται αυξηµένος βαθµός κορεσµού µε DNAPL κοντά στη διεπιφάνεια και η ταχύτητα µειώνεται. Το µοντέλο που ακολουθούν τα DNAPL όταν κινούνται σε ένα σύστηµα κεκλιµένων στρώσεων φαίνεται στο Σχήµα 1 και περιγράφεται λεπτοµερώς από την Coumoulos (1). h C C Q DNAPL (εισχωρεί) k 2 Αδρή άµµος (µεγάλη διαπερατότητα) Q DNAPL (διαρρέει) Q DNAPL (απλώνεται) Λεπτόκοκκη άµµος (µικρή διαπερατότητα) Q DNAPL (διαρρέει) > Q DNAPL (εισχωρεί) Τριχοειδείς δυνάµεις P c =(ρ DNAPL -ρ water )gh C P c -S w λεπτόκοκκου P c -S w αδρού C Βαθµός κορεσµού σε νερό S w Σχήµα 1. Το µοντέλο που ακολουθούν τα DNAPL, όταν κινούνται σε ένα σύστηµα κεκλιµένων στρώσεων. Figure 1. The conceptual model for the DNAPL migration in a layered saturated system. Στις επόµενες παραγράφους περιγράφεται µια σειρά πειραµάτων σε φυγοκεντριστή σε περιβάλλον αυξηµένης βαρύτητας (Νg) και αποτελέσµατα αριθµητικών αναλύσεων, τα οποία συµφωνούν µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα. Σκοπός των πειραµάτων και των αριθµητικών αναλύσεων ήταν να εξεταστεί η επίδραση διαφόρων παραµέτρων στην κίνηση των DNAPL σε ένα σύστηµα κορεσµένων στρώσεων. Πριν την διεξαγωγή αυτής της σειράς πειραµάτων, ο φυγοκεντριστής δεν είχε χρησιµοποιηθεί παρά ελάχιστα σε έρευνες σχετικές µε DNAPL (Culligan and Barry, 1998 και Garnier et al., ). 1 από ότι στο πρωτότυπο. Επίσης, η µεταβολή των πιέσεων (και τάσεων) είναι όµοια για οµόλογα σηµεία στο µοντέλο και στο πρωτότυπο και η ροή στο µοντέλο είναι Ν φορές ταχύτερη από τη ροή στο πρωτότυπο. Οι νόµοι που διέπουν τις δοκιµές φυγοκεντριστή συνοψίζονται στον Πίνακα 1 και η ισχύς τους έχει αποδειχθεί από τους Schofield (198), Taylor (1987) και άλλους. Πίνακας 1. Οι Νόµοι που ιέπουν τις οκιµές Φυγοκεντριστή (Culligan-Hensley and Savvidou, 1995). Table 1. Centrifuge Scaling Factors (Culligan- Hensley and Savvidou, 1995). Λόγος Παράµετρος Σύµβολο Πρωτότυπου / Μοντέλου Επιτάχυνση της βαρύτητας g 1/N Μήκος z N Πίεση P 1 Πυκνότητα ρ 1 Ιξώδες Μ 1 Πορώδες N 1 Ταχύτητα V 1/N Χρόνος T N Περιγραφή της Μεθόδου Ο φυγοκεντριστής διαµέτρου 1m στο Schofield Centrifuge Centre στο Πανεπιστήµιο του Cambridge χρησιµοποιήθηκε για µια σειρά 12 δισδιάστατων δοκιµών σε περιβάλλον 2g. Η όψη της πειραµατικής διάταξης φαίνεται στο Σχήµα 2 και το πλάτος του εδαφικού µοντέλου ήταν.15m. 2. ΟΚΙΜΕΣ ΣΤΟΝ ΦΥΓΟΚΕΝΤΡΙΣΤΗ (2g) Ο φυγοκεντριστής έχει χρησιµοποιηθεί ευρέως για τη διερεύνηση γεωτεχνικών προβληµάτων. Πρόσφατα η χρήση του επεκτάθηκε και σε περιβαλλοντικά προβλήµατα (Culligan and Savvidou, 1995). Κατά τη διάρκεια µιας δοκιµής εδάφους σε περιβάλλον αυξηµένης βαρύτητας Νg (Ν φορές µεγαλύτερο από την επιτάχυνση της βαρύτητας g), οι διαστάσεις είναι Ν φορές µεγαλύτερες και όλα τα φαινόµενα µεταφοράς συµβαίνουν Ν 2 ταχύτερα Σχήµα 2. Πειραµατική διάταξη για τις δοκιµές φυγοκεντριστή σε περιβάλλον 2 g στο Πανεπιστήµιο Cambridge. Οι διαστάσεις είναι σε mm. Όψη. Figure 2. Experimental set-up for the 2 g test at Cambridge University. Dimensions are in mm. Front view. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 2

3 Χρησιµοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές άµµοι µε διαµέτρους κόκκων d 1 =.33mm, d 1 =.165mm και d 1 =.96mm (κατηγορίες C, D και E των Βρετανικών προδιαγραφών αντίστοιχα) σε διάφορους συνδυασµούς. Έγιναν πειράµατα µε στρώσεις των παραπάνω άµµων µε διεπιφάνειες σε κλίση, 5 και 1 ως προς την οριζόντιο. Έγιναν 12 δοκιµές στην σειρά αυτών των πειραµάτων, στις οποίες οι βασικές παράµετροι που εξετάστηκαν ήταν η κλίση της διεπιφάνειας µεταξύ των στρώσεων, η διαφορά των υλικών (ζεύγη άµµου τύπου C+D και C+E), ο ρυθµός διαρροής και το είδος του DNAPL που διέρρευσε. Το DNAPL σε αυτή τη σειρά πειραµάτων ήταν το HFE7 (τετραφθοράνθρακας από την 3Μ). Η χρήση του ως υποκατάστατου για τους χλωριωµένους διαλύτες σε πειραµατικές εφαρµογές προτάθηκε αρχικά από τον Miller (1997), επειδή είναι ασφαλές για τον χρήστη και επειδή οι φυσικές και χηµικές τους ιδιότητες είναι παρόµοιες µε τα συνήθη DNAPL. Το HFE7 είχε βαφεί µπλε µε την χρωστική ουσία FC-3275, είχε πυκνότητα 1.5g/cm 3, ιξώδες.61mpas και επιφανειακή πίεση 13.6mN/m. Το DNAPL διοχετευόταν στην άµµο από µια σχισµή πλάτους.5mm κατά µήκος ενός µικρού χάλκινου σωλήνα διαµέτρου 1mm και µήκους 15mm, ίσου µε το πλάτος του δοχείου. Η σχισµή λειτουργούσε ως σηµειακή πηγή στις δύο διαστάσεις του δοχείου. Η µέτρηση της µεταβολής της πίεσης των πόρων λόγω της κίνησης του DNAPL έγινε µε τρεις µορφοτροπείς µέτρησης πίεσης εύρους 1bar (PCDR1, PCDR 2 και PCDR3), εκ των οποίων ένας ήταν στην άνω στρώση, ακριβώς κάτω από το σηµείο διαρροής, και οι άλλοι δύο στην υποκείµενη στρώση, εκατέρωθεν του σηµείου διαρροής (Σχήµα 2). Η κίνηση και η επιφάνεια της φλέβας του DNAPL παρακολουθούνταν από το µπροστινό παράθυρο του δοχείου µε δύο φωτογραφικές µηχανές. Η µία κατέγραφε την κίνηση σε βιντεοταινία ενώ η άλλη ήταν συνδεδεµένη µε υπολογιστή και κατέγραφε ψηφιακές φωτογραφίες κάθε 1.5s Πειραµατικά Αποτελέσµατα Η ανακοίνωση αυτή επικεντρώνεται στα δεδοµένα που συλλέχθηκαν από την επεξεργασία των εικόνων. Λεπτοµέρειες για τις µετρήσεις των µορφοτροπέων πίεσης και την χρησιµότητά τους είναι διαθέσιµες από Coumoulos (1). Η χρονική σειρά εικόνων µιας δοκιµής φαίνεται στο Σχήµα 3. Η καταγραφή και η επεξεργασία των ψηφιακών εικόνων έγινε µε το λογισµικό I-PRO. Η εικόνα ακριβώς πριν την αρχή της διαρροής αφαιρέθηκε από όλες τις επόµενες εικόνες. Με αυτόν τον τρόπο η µόνη διαφορά ήταν η περιοχή στην οποία βρισκόταν η φλέβα του µπλε DNAPL. Η ποιότητα των εικόνων βελτιώθηκε και το περίγραµµα της φλέβας του DNAPL σε διάφορες χρονικές στιγµές προσδιορίστηκε µε ακρίβεια (Σχήµα 4). Η συµµετρική µορφή του DNAPL στην αρχή της διαρροής δηλώνει ότι το εδαφικό µοντέλο ήταν οµοιογενές και ότι δεν υπήρχε αέρας µέσα στους πόρους. Όταν το DNAPL έφτασε στην διεπιφάνεια µε την λεπτόκοκκη άµµο του τύπου Ε, η διαφορά στην διαπερατότητα µεταξύ των δύο τύπων άµµου ήταν πολύ µεγάλη για να επιτραπεί στο DNAPL να εισέλθει στους πόρους της λεπτόκοκκης άµµου. Έτσι, το DNAPL άρχισε να κινείται κατά µήκος της διεπιφάνειας στην υπερκείµενη αδρή άµµο τύπου C. Παρατηρήθηκε χρονική καθυστέρηση µεταξύ της χρονικής στιγµής κατά την οποία το DNAPL έφτασε στην διεπιφάνεια µεταξύ της αδρής άµµου και της υποκείµενης λεπτόκοκκης άµµου και της χρονικής στιγµής κατά την οποία το DNAPL εισήλθε στους πόρους της λεπτόκοκκης άµµου, παρόλο που η πίεση του DNAPL, υπολογισµένη υδροστατικά, ήταν αρκετή για να ξεπεράσει την πίεση εισροής της λεπτόκοκκης άµµου και υπήρχε αρκετά µεγάλη παροχή DNAPL από την διαρροή. Η πίεση εισροής µετρήθηκε 3kPa για στατικές συνθήκες στο εργαστήριο και η πίεση του DNAPL ήταν περίπου 12kPa, όταν διέρρευσε από το τροφοδοτικό δοχείο. Βάσει αυτού του υπολογισµού δεν θα έπρεπε να υπάρχει αυτή η χρονική καθυστέρηση στη διεπιφάνεια και το DNAPL θα έπρεπε να εισέλθει κατευθείαν στους πόρους της λεπτόκοκκης άµµου. Παρόλα αυτά η χρονική καθυστέρηση οφείλεται στην ανάγκη αύξησης του βαθµού κορεσµού των πόρων της άνω αδρής άµµου µε DNAPL έως ότου επιτευχθεί η απαραίτητη πίεση εισροής για την άµµο που συνάντησε το DNAPL, σύµφωνα µε την καµπύλη P c -S w της συγκεκριµένης άµµου (Coumoulos, 1). Στην ανακοίνωση αυτή παρουσιάζονται τα αποτελέσµατα της επεξεργασίας των εικόνων για 6 δοκιµές, όπου η παράµετροι ήταν η διαφορά των υλικών στην διεπιφάνεια (ζεύγη άµµου τύπου C+D και C+E) και διαφορετικές 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 3

4 sec 15 sec HC4 HC7 HC HC5 HC8 HC9 22 sec 3 sec 45 sec 6 sec Σχήµα 4. Περιγράµµατα της φλέβας κατά τις δοκιµές για διάφορες χρονικές στιγµές. Figure 4. Contours of the plume for the centrifuge tests at various times. Σηµείο διαρροής Σηµείο διαρροής Σχήµα 3. Η χρονική σειρά των φωτογραφιών µιας δοκιµής όπου φαίνεται η εξέλιξη της φλέβας του DNAPL. Figure 3. Time series of photos from one test showing the DNAPL plume development. min x Πλάτος max x Βάθος min x Πλάτος max x Σχήµα 5. Χαρακτηριστικά σηµεία της φλέβας. Figure 5. Characteristic points of the plume. Βάθος α) γ) β) δ) Σχήµα 6. Η χρονική εξέλιξη των χαρακτηριστικών σηµείων της φλέβας στις δοκιµές: α) το βάθος, β) το πλάτος γ) το βάθος µε το πλάτος και δ) το βάθος από την διεπιφάνεια µε το πλάτος. Figure 6. Time series of the characteristic points of the plume during the tests: α) the depth, β) the width γ) the depth over width and δ) the depth from the interface over the width. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 4

5 Σχήµα 7. Η σχέση του βάθους εισροής στην υποκείµενη στρώση προς το άπλωµα. Figure 7. The depth versus the horizontal spreading at the interface. κλίσεις στην διεπιφάνεια (, 5 και 1 ). Στις έξι αυτές δοκιµές ο ρυθµός διαρροής του DNAPL ήταν παρόµοιος και στην διεπιφάνεια η λεπτότερη στρώση ήταν πάντα κάτω. Τα περιγράµµατα της φλέβας κατά τις δοκιµές αυτές φαίνονται στο Σχήµα 4. Για την ανάλυση των εικόνων χρησιµοποιήθηκαν τα χαρακτηριστικά σηµεία της φλέβας που φαίνονται στο Σχήµα 5 και είναι το βάθος της φλέβας από το σηµείο διαρροής και το πλάτος της φλέβας πάνω στην διεπιφάνεια. Η χρονική εξέλιξη των χαρακτηριστικών σηµείων φαίνονται στο Σχήµα 6 µαζί µε την θέση της διεπιφάνειας. Στο Σχήµα 6α φαίνεται η θέση του βαθύτερου σηµείου της φλέβας µε τον χρόνο. Στο Σχήµα 6β παρουσιάζεται η ε- ξέλιξη του πλάτους της φλέβας και είναι εµφανές το άπλωµα όταν η φλέβα φτάνει στην διεπιφάνεια. Η σχέση µεταξύ του απλώµατος στην διεπιφάνεια µε την εισροή στην υποκείµενη λεπτότερη στρώση φαίνεται στο Σχήµα 6γ. Το µοντέλο κίνησης των DNAPL σε κεκλι- µένες στρώσεις (Coumoulos, 1 και Σχήµα 1) σύµφωνα µε το οποίο µεγαλύτερο άπλωµα της φλέβας στην διεπιφάνεια έχει ως συνέπεια µικρότερου βάθους εισροή στην υποκείµενη στρώση, επιβεβαιώθηκε στα Σχήµατα 6δ και 7, όπου εκφράζεται ως η κλίση του βάθους εισροής στην υποκείµενη στρώση προς το άπλωµα στην διεπιφάνεια Αξιολόγηση Αποτελεσµάτων των οκιµών Φυγοκεντριστή Το βασικό πλεονέκτηµα για την εξέταση της κίνησης των DNAPL στον φυγοκεντριστή σε περιβάλλον Νg χρησιµοποιώντας ένα προσο- µοίωµα κλίµακας Ν είναι ότι η πίεση στους πόρους είναι όµοια για οµόλογα σηµεία στο µοντέλο και στο πρωτότυπο. Με τέτοια προσοµοιώµατα µειωµένης κλίµακας µπορεί να προσοµοιωθεί σωστά το πραγµατικό πεδίο, πράγµα που δεν είναι δυνατόν µε τα συνήθη εργαστηριακά πειράµατα µικρής κλίµακας σε περιβάλλον 1g. Η ακρίβεια των µετρήσεων µε τη µέθοδο της επεξεργασίας εικόνων εξαρτάται από την ποιότητα των φωτογραφιών, τον φωτισµό και το χρησιµοποιούµενο λογισµικό επεξεργασίας εικόνων. Η ποιότητα των φωτογραφιών που ελήφθησαν στον φυγοκεντριστή δεν ήταν τόσο καλή όσο αναµενόταν λόγω εισαγωγής θορύβου στο σήµα των φωτογραφιών κατά την µεταφορά του από τις κάµερες στον υπολογιστή και µε την πρόοδο της σειράς των δοκιµών βελτιώθηκε. Το µοντέλο Coumoulos (1) που παρουσιάζεται στο Σχήµα 1 επιβεβαιώθηκε µε τις δοκιµές φυγοκεντριστή και προέκυψε ότι όσο µεγαλύτερη είναι η διαφορά στην περατότητα των 2 άµµων στην διεπιφάνεια (C+E στις δοκιµές) και όσο µεγαλύτερη είναι η κλίση της στρώσης, τόσο µεγαλύτερο είναι το άπλωµα στην διεπιφάνεια και τόσο λιγότερο DNAPL είναι διαθέσιµο για εισροή στην υποκείµενη στρώση (για διαρροή ίδιας ποσότητας DNAPL). 3. ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΑΝΑΛΥΣΕΙΣ Το λογισµικό που χρησιµοποιήθηκε για το αριθµητικό προσοµοίωµα των δοκιµών στον φυγοκεντριστή και για την περαιτέρω παραµετρική ανάλυση ήταν το TOUGH2/T2VOC. Είναι ένας κώδικας πεπερασµένων διαφορών για την προσοµοίωση πολυφασικής ροής σε πορώδες µέσο από το Lawrence Berkeley National Laboratory (Pruess, 1991 και Falta et al., 1995). Οι παράµετροι που χρησιµοποιήθηκαν για την άµµο και το DNAPL στις αριθµητικές αναλύσεις επελέγησαν έτσι ώστε να προσο- µοιάζουν τα υλικά των δοκιµών φυγοκεντριστή. Αποτελέσµατα µιας αριθµητικής προσοµοίωσης δοκιµής φυγοκεντριστή δίδονται στο Σχή- µα 8 και είναι εµφανής η οµοιότητα στην εξέλιξη της φλέβας. Η ακρίβεια των αποτελεσµάτων των αριθµητικών αναλύσεων εξαρτάται από τις παραµέτρους σχεδιασµού, αλλά και από τον κώδικα που χρησιµοποιείται. Για το λόγο αυτό πριν την εκτεταµένη χρήση ενός αριθµητικού κώδικα για την ακριβή προσοµοίωση µιας πραγµατικής κατάστασης, είναι απαραίτητο να 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 5

6 Σχήµα 8. Η φλέβα του DNAPL στο τέλος µίας δοκιµής φυγοκεντριστή και όπως στο τέλος της αριθµητικής προσοµοίωσης της ίδιας διαρροής. Figure 8. The plume as calculated at the end of the DNAPL injection in a centrifuge test and as calculated at the numerical simulation of the test. Σχήµα 9. Η επίδραση της διαπερατότητας K στον βαθµό κορεσµού. Figure 9. The effect of permeability Κ on the DNAPL saturation. προηγηθεί βαθµονόµηση. Οι αριθµητικές αναλύσεις απέδειξαν πόσο εξαρτάται η κίνηση των DNAPL από τις ιδιότητες του πορώδους µέσου µέσα στο οποίο κινείται όπως το πορώδες, η διαπερατότητα, η σχέση των τριχοειδών δυνάµεων µε τον βαθµό κορεσµού (P c -S w ) και η σχέση της σχετικής διαπερατότητας µε το βαθµό κορεσµού (k r -S w ) και από τις φυσικές και χηµικές ιδιότητες του DNAPL (πυκνότητα, ιξώδες, επιφανειακή πίεση και υδατοδιαλυτότητα). Μικρές αποκλίσεις στις τιµές αυτών των παραµέτρων έχουν µεγάλη επίδραση τόσο στο σχήµα όσο και στην έκταση της φλέβας του DNAPL αλλά και στην πίεση που αναπτύσσεται. Περαιτέρω διερεύνηση ειδικά για την ευαισθησία στην διαπερατότητα της άµµου και στην σχέση των τριχοειδών δυνάµεων µε τον βαθµό κορεσµού (P c -S w ) δίδεται στα Σχήµατα 9 και 1. Οι αναλύσεις αυτές έγιναν σε µονοδιάστατο µοντέλο ώστε να ελαχιστοποιείται η επίδραση άλλων παραµέτρων. Εξετάστηκε αρχικά η επίδραση της διαπερατότητας της άµµου όταν όλες οι άλλες παράµετροι ήταν ίδιες. Στο Σχήµα 9 φαίνεται η χρονική εξέλιξη της πίεσης και του βαθµού κορεσµού. Όπως ήταν αναµενόµενο, το DNAPL έφτασε στο σηµείο ελέγχου ταχύτερα στην άµµο µε την µεγαλύτερη διαπερατότητα. Η διαπερατότητα δεν έχει καµία επίδραση στον µέγιστο βαθµό κορεσµού, έχει όµως επίδραση στον χρόνο εκτόνωσης του βαθµού κορεσµού µετά το τέλος της διαρροής. Μια άλλη σηµαντική παράµετρος είναι η σχέση P c -S w της άµµου. Το διαθέσιµο µοντέλο στο λογισµικό ήταν των Parker et al. (1987). Αρχικά οι παράµετροι της σχέσης P c -S w της άµµου που ήταν διαθέσιµες στους ερευνητές, ήταν για το µοντέλο Brooks-Corey (Corey,1994) και για τον λόγο αυτόν έγινε προσπάθεια προσοµοίωσης των χαρακτηριστικών της καµπύλης. Παρόλο που γραφικά (Σχήµα 1α) οι καµπύλες P c -S w είναι παρόµοιες, δίδουν σηµαντικά διαφορετική απόκριση στις αριθµητικές αναλύσεις, τόσο στον βαθµό κορεσµού όσο και στις τριχοειδείς δυνάµεις (Σχήµατα 1β, γ και δ). Για την αξιολόγηση των αποτελεσµάτων των αριθµητικών αναλύσεων ως εικόνων µε βάση τα χαρακτηριστικά σηµεία της φλέβας του DNAPL του Σχήµατος 5, έπρεπε να επιλεγεί ο βαθµός κορεσµού που ορίζει το 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 6

7 β) α) γ δ) Σχήµα 1. α) Η επίδραση της παραµέτρου α w του µοντέλου Parker στην σχέση P c -S w β) στην πίεση, γ) στον βαθµό κορεσµού και δ) στις τριχοειδείς δυνάµεις. Figure 1. α)the effect of parameter α w in the Parker model for P c -S w on β) the pressure, γ)the DNAPL saturation and δ) the capillary pressure. Σχήµα 12. Η επίδραση του ρυθµού διαρροής στο άπλωµα πάνω στην διεπιφάνεια. Αποτελέσµατα αριθµητικών αναλύσεων και δοκιµών φυγοκεντριστή. Figure 12. The effect of the injection rate on the spreading on the sand interface. Results of numerical analyses and centrifuge tests. εύρος τιµών ρυθµού διαρροής και κλίσεων της διεπιφάνειας από ότι ήταν εφικτό να γίνει στον φυγοκεντριστή και στο εργαστήριο. Τα αποτελέσµατα της διερεύνησης αυτής παρουσιάζονται στα Σχήµατα 11 και 12 µαζί µε τα αποτελέσµατα των δοκιµών φυγοκεντριστή. Η υπερβολική τιµή για την κλίση της στρώσης άµµου των 3 κρίθηκε χρήσιµη για εποπτικούς λόγους στην διερεύνηση. Το Σχήµα 12 επιβεβαίωσε την υπόθεση ότι ταχύτερες διαρροές οδηγούν σε µεγαλύτερο πλάτος φλέβας και µικρότερη εισροή στην υποκείµενη στρώση. 4. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Σχήµα 11. Η επίδραση του ρυθµού διαρροής DNAPL στο µέγεθος της φλέβας µε διαφορετικά όρια βαθµού κορεσµού σε DNAPL για το περίγραµµα της φλέβας. Figure 11. The effect of the injection rate on the DNAPL plume area for various cut-off DNAPL saturation ratios. ορατό όριο της φλέβας. Η τιµή αυτή επελέγη ίση µε S=.2. Στις δοκιµές φυγοκεντριστή παρατηρήθηκε ότι για την ίδια ποσότητα διαρρέοντος DNAPL, όσο µεγαλύτερος είναι ο ρυθµός διαρροής τόσο µεγαλύτερη είναι η φλέβα. Έγιναν αριθµητικές αναλύσεις ώστε να διερευνηθεί η επίδραση του ρυθµού διαρροής σε µεγαλύτερο Η κίνηση των DNAPL εξαρτάται από πολύπλοκους φυσικούς, χηµικούς και βιολογικούς µηχανισµούς. Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στην κίνηση των DNAPL σε ένα σύστηµα κορεσµένης άµµου µε κεκλιµένες στρώσεις. Έγιναν 12 δισδιάστατες δοκιµές σε φυγοκεντριστή µε βασικές παραµέτρους την διαφορά στην περατότητα της άµµου στην διεπιφάνεια, την κλίση της διεπιφάνειας µε την οριζόντια και τον ρυθµό διαρροής. Οι υπολογισµοί µε το λογισµικό TOUGH2/ T2VOC έδωσαν παρόµοια αποτελέσµατα µε τις πειραµατικές δοκιµές και ακολουθούν το µοντέλο για την κίνηση των DNAPL όπως περιγράφεται από Coumoulos (1). Οι φωτογραφίες είναι χρήσιµες στην παρατήρηση της κίνησης των DNAPL στον φυγοκεντριστή και στις αριθµητικές αναλύσεις. 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 7

8 Οι µετρήσεις πίεσης πόρων είναι εύκολο να πραγµατοποιηθούν τόσο στο εργαστήριο όσο και στο ύπαιθρο και µπορούν να χρησιµοποιηθούν για την εκτίµηση του βαθµού κορεσµού και του χρόνου άφιξης της φλέβας του DNAPL σε µια θέση. Στις αριθµητικές αναλύσεις όµως η πίεση εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τα χαρακτηριστικά της άµµου που εισάγονται στον κώδικα. Σε συστήµατα κεκλιµένων στρώσεων παρατηρείται άπλωµα στην διεπιφάνεια µεταξύ των στρώσεων, ειδικά αν η κάτω στρώση έχει µικρότερη διαπερατότητα από την επάνω. Σε αυτή την περίπτωση περισσότερο DNAPL απλώνεται οριζόντια και λιγότερο εισέρχεται τελικά στην κάτω στρώση. Η σειρά αυτών των πειραµάτων στον φυγοκεντριστή έδειξε και µερικά από τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα της µεθόδου σε ότι αφορά διερεύνηση διαρροών DNAPL. Το µεγαλύτερο πλεονέκτηµα είναι ότι µπορεί να προσοµοιώσει εδαφικές συνθήκες οι οποίες βρίσκονται σε µεγάλο βάθος, πολύ µεγαλύτερο από ότι συνήθως εξετάζεται στο εργαστηριακό περιβάλλον. Ακόµα και δοκιµές µεγάλης κλίµακας που αναφέρονται στην βιβλιογραφία δεν εξετάζουν την κίνηση του DNAPL σε µεγάλα βάθη και επικεντρώνονται στην συµπεριφορά στα πρώτα 2m από την επιφάνεια του εδάφους. Στον φυγοκεντριστή οι πιέσεις προσοµοιώνονται σωστά και έτσι διαρροές που συµβαίνουν σε µεγάλα βάθη (π.χ. διαρροή από υπόγεια δεξαµενή) µπορούν να εξεταστούν καλύτερα. Μειονέκτηµα της µεθόδου αποτελεί ότι δεν µπορεί να προσοµοιώσει σωστά τα γεγονότα στην κλίµακα των πόρων (π.χ. Culligan and Barry, (1998)). 5. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς ευχαριστούν τους τεχνικούς στο Schofield Centrifuge Centre για τη βοήθειά τους στις δοκιµές φυγοκεντριστή. Η οικονοµική ενίσχυση από το Ευρωπαϊκό Πρόγραµµα NECER και τον Οργανισµό Kajima της Ιαπωνίας ήταν επίσης σηµαντική. 6. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Numerical Modelling of Dense Non Aqueous Phase Liquid Contaminants Migration. Ph D. Thesis submitted at the University of Cambridge Engineering Department. Culligan- Hensley P.J. and Savvidou (1995), Environmental geomechanics and transport processes. In Geotechnical centrifuge technology, R.N. Taylor Ed, Chapman and Hall, London. Culligan P.J. and Barry D.A. (1998), Similitude requirements for modelling NAPL movement with a geotechnical centrifuge. Proc. Instn. Civ. Engrs, Geotech. Engng, 131, Domenico, P.A., and Schwarz, F.W. (1998), Physical and Chemical Hydrogeology. Falta R.W., K. Pruess, S. Finsterle, and A. Battistelli (1995), T2VOC User's Guide. Lawrence Berkeley Laboratory Report LBL- 36, March Garnier J., L. Thorel and E. Haza (), International Symposium on Physical Modelling and Testing in Environmental Geotechnics May, La Baule, France. Miller, C. (1997), Immiscible fluid behavior in layered porous media: examples of accessibility and hysterisis. MSc Thesis, University of Colorado, Boulder, CO. Pankow, J. F., and Cherry, J. A. (1996), Dense chlorinated solvents and other DNAPLs in groundwater. Waterloo Press, Waterloo, Ontario. Parker, J.C., and Lenhard, R.J. (1987), A model for hysteretic constitutive relations governing multiphase flow. 1. Saturation- Pressure relations. Water Resourses Research, 23(12), Pruess K. (1991), TOUGH2 A generalpurpose numerical simulator for multiphase fluid and heat flow. Lawrence Berkeley Laboratory Report, LBL-29, Berkeley, CA, May Schofield A.N. (198), Cambridge geotechnical centrifuge operations. Geotechnique, 3 (3), Taylor R.N. (1995), Geotechnical centrifuge technology, Chapman and Hall, London. Cohen, R. M. (1993), DNAPL Site Evaluation. Robert S. Kerr Environmental Research Laboratory. Corey, A.T. (1994), Mechanics of Immiscible Fluids in Porous Media. Coumoulos, H. (1), Centrifuge and 5ο Πανελλήνιο Συνέδριο Γεωτεχνικής & Γεωπεριβαλλοντικής Μηχανικής, ΤΕΕ, Ξάνθη, 31/5-2/6/6 8