بررسي پارامتريك نفوذ برخي آلاينده هاي نفتي نامحلول در آب به خاك

Parametric assessment of infiltration of some NAPLs in soil porous media

سابقه و هدف: آلودگي زيست بوم، به ويژه خاك از چالش هاي مهم عصر كنوني است فعاليت هاي انساني باعث ايجاد آلودگي هاي فراواني در محيط زيست شده اند. هرچند كه اين آلاينده ها را مي توان به دو گروه بزرگ معدني و آلي تقسيم بندي كرد، ليكن آلاينده هاي مايع آلي نامحلول در آب (NAPL) از مهمترين آلاينده هاي آلي زيست محيطي به شمار مي آيند و به عنوان يكي از آلاينده هاي بالقوه طبيعت آسيب هايي فراوان به زيست بوم وارد كرده اند. خاك آلوده افزون بر اينكه آلاينده ها را از راه چرخه غذايي وارد بدن انسان مي كند، خود نيز مي تواند به عنوان منبع آلودگي آب هاي زير زميني و آب آشاميدني باشد. خاك هاي آلوده، گستره ي استفاده از اراضي را نيز محدود مي سازند. آلاينده هاي مايع آلي نامحلول در آب (NAPL) سهم بزرگي از كل آلاينده هاي زيست محيطي را تشكيل مي دهند. درك چگونگي نفوذ NAPLها به خاك از اهميتي ويژه برخوردار است. زيرا با درك آن، مي توان خاك هاي آلوده به NAPLها را اصلاح و اقداماتي مديريتي براي جلوگيري از نفوذ آنها به سفره هاي آب زيرزميني به كار گرفت. هدف از اين پژوهش، ارزيابي كمي فرآيند نفوذ برخي تركيبات نفتي شامل نفت خام و نفت سفيد به خاك بود. مواد و روش ها: خاك مورد آزمون از اطراف پالايشگاه نفت تهران با بافت لوم شني تهيه شد. با استفاده از مدل هاي نفوذ فيليپ، كوستياكوف و گرين امپت پارامترهاي نفوذ و با استفاده از قانون دارسي هدايت هيدروليكي اشباع برآورد و با مقادير اندازه گيري شده مقايسه گرديدند. به منظور ارزيابي كمي تخمين هاي حاصل از مدل ها، از آماره هاي ريشه ميانگين مربعات خطا و ضريب تبيين استفاده شد. يافته ها: نتايج نشان داد كه با گذشت زمان ، طول جبهه ي رطوبتي و نفوذ تجمعي NAPLها همانند آب به صورت غير خطي افزايش مي يابد. بيشترين نرخ نفوذ براي اين تركيبات، همچون آب در زمان هاي ابتدايي نفوذ رخ داد. مقادير هدايت هيدروليكي اشباع براي نفت خام و نفت سفيد به ترتيب 0.0058, 0.280 سانتي متر بر دقيقه بدست آمد. به دليل لزوجت بيشتر نفت سفيد و كشش سطحي كمتر نسبت به آب، نگهداشت اين سيال نسبت به آب كمتر و نرخ نفوذ آن بيشتر بود. نتيجه گيري: نتايج ارزيابي كمي فرآيند نفوذ نفت خام به خاك نشان داد كه براي تركيبات NAPLs هنگامي كه زمان به سمت بي نهايت ميل مي كند، شدت نفوذ پايه آنها با هدايت هيدروليكي اشباع اين تركيبات برابر نيست. زيرا در اواخر نفوذ، ضريب ثابت (S) تاثير زيادي بر نفوذ اين تركيبات به خاك دارد. با توجه به نتايج، مدل نفوذ گرين- امپت و كوستياكوف با در نظر گرفتن آماره RMSE، برآورد بهتري از نفوذ NAPLبه خاك ارائه مي دهند. ويژگي هاي NAPLها همچون نوع تركيب، ساختار شيميايي، گرانروي، كشش سطحي و چگالي تاثيري به سزا بر نفوذ اين تركيبات به خاك دارند.

Background and objectives: Human activities imposed several contaminations to the environment. Although environmental contaminations can be categorized into inorganic and organic contaminations, but the so-called non-aqueous phase liquids (NAPLs) are considered among the most hazardous pollutants in environment and can potentially cause severe damage to our environment. The contaminated soils not only may transfer the pollutants to the human chain food, but may transmit the contaminants to the groundwater and drinking water. Furthermore, the contaminated soil would limit the use of available lands for agricultural purposes. Environmental contamination, particularly soil is one of the most important challenges in recent years. Non-aqueous phase liquids (NAPLs) have significant influences on environmental contaminations. Understanding infiltration characteristics of these compounds into the soils is very important because it assists to remediate contaminated soils and manage to reduce NAPL recharge into groundwater. The main objective of this research was to quantitatively investigate the influence of infiltration of some NAPLs including crude oil and kerosene into soil. Materials and methods: Consequently, the required soil samples were collected from neighboring Tehran oil refinery. The saturated hydraulic conductivity, cumulative infiltration and the infiltration rates were obtained by using Darcy’s law and Philip, Kostiakov and Green-Ampt infiltration models, respectively. The performance of predictive infiltration models were evaluated using RMSE and R2 statistics. Results: The obtained results showed that similar to water, the wetting front length and cumulative infiltration for both examined NAPL components were nonlinearly increased. The largest NAPLs infiltration rates as well as that of water were observed during the initial experimental periods. The hydraulic conductivity of crude oil and kerosene were obtained to be 0.0058, 0.280 cm/min, respectively. Conclusion: Quantitative assessment of kerosene infiltration into the soil indicated that for NAPLs, when time moves towards infinity, the basic intake rate doesn’t resemble the soil saturated hydraulic conductivity. This can be attributed to the fact that at the final stage of infiltration process, the sorptivity plays a significant role in infiltration of these components. Overall observations show that that based on the calculated RMSE statistic, the Green-Ampt and Philip models can well predict the NAPLs infiltration into the soil. Some NAPL characteristics including type of compounds, composition, surface tension, viscosity and specific gravity were appeared to significantly influence the infiltration process. Conclusion: Quantitative assessment of kerosene infiltration into the soil indicated that for NAPLs, when time moves towards infinity, the basic intake rate doesn’t resemble the soil saturated hydraulic conductivity. This can be attributed to the fact that at the final stage of infiltration process, the sorptivity plays a significant role in infiltration of these components. Overall observations show that that based on the calculated RMSE statistic, the Green-Ampt and Kostiakov models can well predict the NAPLs infiltration into the soil. Some NAPL characteristics including type of compounds, composition, surface tension, viscosity and specific gravity were appeared to significantly influence the infiltration process.