بررسي تأثير پارامترهاي مهم در مدل عددي يك‌بعدي انتقال آلاينده در حضور كلوئيد در محيط متخلخل اشباع

Investigating the Effect of Important Parameters in a One-Dimensional Numerical Model of Pollutants Transmission in the Presence of Colloid in a Saturated Porous Medium

انتقال آلودگي به آب‌هاي زيرزميني كه با توجه به مصرف بيش از حد و افت سطح آن در طول سال‌هاي اخير آسيب‌پذيري زيادي دارند، از اهميت زيادي برخوردار است. يكي از پارامترهاي مهم انتقال آلاينده به آبهاي زيرزميني، حضور ذرات كلوئيدي است. اين ذرات اغلب باعث تسهيل انتقال آلاينده‌ها به عمق‌هاي پايين‌تر خاك در شرايط اشباع مي‌شوند، ولي در شرايط خاصي، تأخير در انتقال آلاينده نيز ايجاد مي‌كنند. بنابراين بررسي تأثير پارامترهاي مختلف بر انتقال آلاينده در حضور كلوئيد امري ضروري است. در اين پژوهش به‌منظور بررسي تأثير پارامترهاي مختلف و همچنين تأثير حضور كلوئيد بر انتقال آلاينده، ابتدا يك آزمايش انتقال كروم شش ظرفيتي در حضور ذرات كلوئيدي بنتونيت در يك ستون با محيط متخلخل اشباع انجام شد. سپس مدل عددي يك‌بعدي بر مبناي معادلات و اندركنش‌هاي سه فاز خاك، ذرات كلوئيد و آلاينده در محيط متخلخل اشباع توسعه داده شد. معادلات استفاده شده در اين پژوهش كه بر اساس مطالعات گذشته بوده است، شامل 6 معادله ديفرانسيلي به‌همراه 6 مجهول بود كه از طريق روش عددي تفاضل محدود با استفاده از دو نقطه تقريبي بازگشتي براي مشتق زمان و تفاضل مركزي براي مكان حل شد. مدل عددي اين پژوهش با مقدار ضريب تعيين 98/0 با نتايج آزمايشگاهي واسنجي شد و ضرايب ثابت معادلات بهينه شدند. بررسي پارامترهاي مهم نشان داد كه با افزايش نرخ رسوب ذرات كلوييدي بر روي ماتريس جامد، مقدار آلاينده كمتري انتقال پيدا مي‌كند كه اثباتي بر تأثير ذرات كلوئيدي بر انتقال آلاينده است. همچنين افزايش نرخ جذب ذرات آلاينده توسط ذرات كلوئيدي و سرعت جريان، باعث افزايش انتقال آلاينده مي‌شود. بررسي نتايج نشان داد كه 2 برابر كردن ضريب پخش هيدروديناميكي ذرات آلاينده و كلوييدي باعث افزايش بيش از 100 برابري در ابتداي آزمايش و افزايش تقريباً 15 درصدي در انتهاي آزمايش مي‌شود. در نهايت، افزايش تخلخل نيز باعث بيشتر شدن فضاي خالي ميان ذرات و انتقال بيشتر كروم مي‌شود. نتايج اين پژوهش حاكي از تأثير بسزاي ذرات كلوئيدي بنتونيت در تسهيل و افزايش انتقال كروم در محيط متخلخل اشباع است. همچنين ضريب پخش بيشترين تأثير را در انتقال كروم در حضور ذرات كلوئيدي در محيط متخلخل اشباع دارد. در نتيجه در محيط‌هاي مستعد آلودگي آب‌هاي زيرزميني بايد حضور ذرات كلوئيدي بررسي شود و با انجام مدل‌سازي، تأثير پارامترها در آن محيط مشخص شود تا تدابير لازم براي كنترل آن انجام شود.

Transmission of pollutants to high vulnerability groundwaters is significant due to the uncontrolled growth of water harvesting from wells in recent years. One of the significant parameters for the pollutants transfer to groundwater is the presence of colloidal particles. These particles often facilitate the transfer of pollutants to lower soil depths in saturated conditions. However, in particular circumstances, they also delay the transmission of pollutants. Therefore, it is necessary to study the effect of various parameters on the transfer of pollutants in the presence of colloids. In this research, in order to investigate the effect of various parameters and the effect of colloid presence on pollutant transfer, first, a hexavalent chromium transmission experiment was performed in the presence of bentonite colloidal particles in a saturated porous medium column. Then a one-dimensional numerical model has been developed based on three-phase equations and interactions of soil, colloid particles, and pollutants in a saturated porous medium. The equations in this research include six differential equations that have six unknown parameters. These equations are solved with finite difference method, which uses two points reverse differential approximation for derivatives of time and central difference approximation for spatial derivatives. The numerical model was calibrated with experimental results with a determination coefficient of 0.98 and constant coefficients of the equations were optimized. Investigation of the important parameters showed that by increasing the deposition rate of colloidal particles on the solid matrix, less pollutant content was transferred, which is a fact for the effect of colloidal particles on pollutant transport. Also, increasing the rate of pollutants absorption by colloidal particles and increasing the flow velocity, increases the pollutant transport. The results indicated that doubling the hydrodynamic diffusion coefficient of the contaminant and colloidal particles increased transmission by more than 100 times at the beginning of the experiment and by approximately 15% at the end of the experiment. Finally, the increase in porosity increases the gap between the particles and the chromium transmission. The results of this study indicate the significant effect of bentonite colloidal particles in facilitating and enhancing chromium transport in saturated porous media. Also, the diffusion coefficient has the most influence on chromium transport in the presence of colloidal particles in the saturated porous media. As a result, the presence of colloidal particles in groundwater-contaminated environments should be monitored and the effects of parameters in that environment should be determined by modeling to take the necessary measures to control it.