dispersia poluantilor

24 Dispersia poluanilor n apele subterane.

24

Capitolul 2

APA N MEDII POROASE 2.1 APA N NATUR

Precipitaiile sub form de ploaie i zpad constituie aporturile de ap n sol.

Cnd ploaia atinge solul iau natere trei procese: - umezirea solului i infiltraia ; - curgrea superficial (iroirea); - evaporaia. Coninutul de ap din sol este funcie de porozitatatea i permeabilitatea solului.

Sub o cot N (fig. 2.1) coninutul de ap nu mai crete cu adncimea. Aceast zon este saturat i o numim pnz freatic. Zona aflat deasupra pnzei freatice se numete nesaturat. In zona saturat apa este supus, n principal forelor de greutate, n timp ce n zona nesaturat sunt preponderente forele de capilaritate.

Apa care cade pe suprafaa solului umezete fraciunea superioar a solului (civa cm), profilul coninutului de ap din sol modificndu-se. Aceast cretere a umiditii, la suprafaa solului nu produce o scurgere vertical imediat. Att timp ct forele de capilaritate sunt superioare celor gravitaionale apa este reinut ca ntr-un burete. Cnd coninutul de ap depete o valoare limit numit capacitate de retenie specific, apa se propag spre pnza freatic umezind o zon mai profund a solului. Dac ploaia dureaz mult timp umezirea solului va fi tot mai puternic i va determina infiltraia, adic deplasarea apei spre pnza freatic.

Acest fenomen este foarte lent, depinznd de permeabilitatea solului i de adncimea pnzei freatice. De exemplu, apa dintr-o ploaie poate ajunge la pnza

Apa n medii poroase Anca Marina Marinov 25

freatic dup sptmni sau luni. n zona temperat se poate estima c media lamei de ap infiltrat pn la pnza freatic este 300 mm/an.

Dac intensitatea ploii este mare, solul nu poate primi tot aportul de ap i asfel apare un exces de ap numit scurgere de suprafa.

La suprafaa solului se formeaz o pelicul de ap care poate circula dac exist o pant a terenului.

Scurgerea de suprafa din primii centimetri de sol sau de vegetaie se numete scurgere hipodermic.

Un profil obinuit al cantitii de ap coninut n sol, n funcie de cot are

urmtorul aspect:

Zonnesaturat

Zonsaturat

(coninutul de ap din sol)

Suprafaa pnzei freatice

Suprafaa soluluiz

N

Fig. 2.1 - Profilul coninutului de ap din sol

Dac solul este impermeabil scurgerea de suprafa apare instantaneu. Vegetaia

are un rol important n procesul de infiltraie i de scurgere de suprafa. Un rol important n circulaia apei l are evaporaia. Ea are loc chiar i n timpul ploii. Dup ncetarea ploii se evapor att apa interceptat de vegetaie ct i cea de la suprafaa solului i chiar din sol. Apa din zona nesaturat urc prin capilaritate spre suprafa i aici se evapor. Fenomenul de evaporaie este influenat de condiiile atmosferice (temperatur, vnt, radiaii solare) i de coninutul de umiditate din sol - cu ct acesta este mai mic, cu att apa este legat prin capilaritate de sol i este nevoie de mai mult energie pentru a o desprinde i a o ridica. Fenomenul de evapotranspiraie const n aceea c plantele recupereaz apa pierdut prin evaporaie folosind, prin intermediul rdcinilor, apa din sol. Procesul de


26

uscare a zonei nesaturate datorit rdcinilor nceteaz la o anumit valoare a coninutului de umiditate - punctul de ofilire, la care rdcina nu mai are energia necesar pentru a desprinde apa din sol. n cazul n care pnza freatic nu este la mare adncime, evapotranspiraia puternic la suprafaa solului antreneaz o curgere ascendent a pnzei freatice. Micorarea coninutului de umiditate la suprafaa solului produce apariia unor fore de capilaritate foarte puternice (legea lui Jurin) Apa infiltrat pn la pnza freatic circul n acvifer, spre ruri, pe care le alimenteaz n absena ploii. Acest aport al apelor subterane pentru apele de suprafa formeaz debitul de baz al rurilor.

Precipitaiile czute sub form de zpad nu produc iniial umezirea, infiltraia i scurgerea superficial. Evaporaia are loc sub forma sublimrii zpezii. La topire se produce att infiltraie ct i scurgere de suprafa. Procesul de infiltraie fiind mai lent dect n cazul ploii, umezirea solului se face mai profund. n cazul n care solul este puternic ngheat se produce o saturare a zonei de suprafa i o scurgere superficial important.

Volumul total al precipitaiilor anuale n lume poate fi estimat la 0,5 milioane Km3, deci 0,04 % din volumul de ap de pe glob, de 40 de ori volumul de vapori de ap din atmosfer. Aceasta implic o renoire foarte rapid a umiditii atmosferice. n medie, timpul de reinere al vaporilor de ap n atmosfer este de aproximativ nou zile.

Apa subteran provenit din ciclul natural al apei descris mai sus se numete ap vadoas.

Alte origini posibile ale apelor subterane sunt: a) condensarea vaporilor din porii solului (echivalentul fenomenului de rou); b) apele juvenile provenite din rcirea magmei gravifice; c) apele fosile sunt ape vadoase datnd din perioade mai umede ale

cuaternarului; d) apele geotermale sunt ape vadoase care urmeaz un drum complicat, se

nclzesc la adncime i urc apoi la suprafa. . 2.2 NOTIUNEA DE MEDIU POROS n general putem defini mediul poros ca un material care are goluri interiore ce pot comunica ntre ele. Aceste goluri poart numele de interstiii, spaii poroase sau pori. Forma i dimensiunile lor sunt variabile i distribuite aleator n interiorul


materialului respectiv (de la interstiiile moleculare la golurile extrem de mari, numite caverne). Mediile poroase naturale sunt, de obicei, rocile sedimentare (nisipurile, gresiile, calcarele, dolomitele, argilele i marnele). Rocile eruptive i rocile metamorfice pot fi considerate practic impermeabile, cu excepia cazurilor cnd sunt fisurate.

Datorit neuniformitii mediului poros definirea parametrilor caracteristici se face pe baza unor valori medii. Exist dou moduri de definire a proprietilor locale ale unui mediu poros: - prin noiunea de volum elementar reprezentativ (VER); - prin noiunea de funcii aleatoare. Analiza unui VER presupune atribuirea proprietilor medii ale unui volum de material, unui punct din spaiu. Aceasta presupune o integrare n spaiu a acestor proprieti. Mrimea VER trebuie s fie: - suficient de mare pentru a conine un mare numr de pori, astfel nct s se poat defini o proprietate medie global, cu asigurarea c efectul fluctuaiilor de la un por la altul este neglijabil;

- suficient de mic pentru ca variaiile parametrilor de la un domeniu la altul s poat fi reprezentate prin funcii continue, pentru a putea utiliza analiza infinitezimal (fr a introduce astfel erori caracteristice aparatelor de msur la scar microscopic).

2.2.1. Porozitatea Dac se consider un anumit volum dintr-un mediu poros, raportul dintre volumul porilor i volumul total al rocii se numete porozitate (total sau absolut). n cazul rocilor consolidate unii pori sunt nchii. Astfel n calculul porozitii efective se ia n considerare doar volumul porilor aflai n intercomunicaie. Nisipul i gresiile au o porozitate total de aproximativ 30 %. Exist i roci compactate (calcarul i dolomitele) care au o porozitate mare. Rocile cristaline i metamorfice au o porozitate de 1..5 %. Argilele constituie o categorie special. Ele sunt constituite din formaiuni lamelare aproximativ paralele, separate prin straturi variabile n care poate exista sau nu ap. Argilele au proprietatea de umflare n prezena apei. Particulele de ap sunt puternic legate de particulele solide argiloase. Procentajul porilor poate ajunge pn la 90%. n cazul rocilor compactate pot exista fisuri sau falii ce apar n general dup direcii principale, formndu-se astfel blocuri. Aceste fisuri pot fi colmatate cu argile, calcite, cuar, etc.


28

Din punctul de vedere al condiiilor genetice ale porilor, acetia pot fi: 1. porii primari:

- golurile ntre particulele care alctuiesc rocile granuloase; - golurile n form de bule din unele roci eruptive;

2. porii secundari: - golurile formate prin aciunea dizolvant a apelor care circul prin roci;

- fisurile i porii formai prin contractarea rocilor; - fisurile i porii formai prin procesle de cristalizare a rocilor;

- fisurile i porii formai din cauze tectonice. Porozitatea poate varia n timp datorit cimentrii rocilor granuloase sau tasrii. Porozitatea total n se definete:

ps

pVV

Vrocii al total Volumul

porilor Volumuln+

== (2.1)

Se mai poate folosi o mrime numit indicele porilor e

1een ; neen ;

VV

solid.ischeletulu Volumulporilor Volumule

s

p+

==== (2.2)

2.2.2. Porozitatea i granulozitatea

Dac un mediu poros teoretic ar fi format din sfere de acelai diametru, se poate

demonstra c exist ase cazuri posibile de aranjare a sferelor nvecinate, obinndu-se porozitile 26%, 30%, 40%, 48%.

n cazul sferelor de mrimi diferite porozitatea este ntotdeauna mai mic pentru c sferele mici vor ocupa spaiul dintre sferele mari.

Pentru particulele nesferice, tendina de scdere a porozitii este compensat de neregularitile de form ale particulelor. Pentru mediile poroase neconsolidate se poate analiza, prin cernere, compoziia granulometric a materialului respectiv.

Vom numi curb granulometric, graficul care reprezint variaia procentului (n volume sau greutate) din particulele care traverseaz o sit cu ochiuri de diametru dat.

Se numete diametru eficace (d10) dimensiunea pentru care 10% din elementele mediului sunt mai mici dect d10.


n general este de dorit s se msoare porozitatea mediului fr perturbarea structurii solide. Porozitatea depinde de aezarea particulelor, deci de consolidarea i tasarea mediului.

Pentru o seciune a mediului poros se poate defini porozitatea de suprafa total

totala.Suprafataporilor Suprafatans = (2.3)

Dac distribuia mrimii porilor este aleatoare, porozitatea de suprafa este independent de orientarea suprafeei studiate i are aceeai valoare cu porozitatea de volum.

Suprafaa specific (Ssp) este definit ca:

mediului al total Volumul

einterstial golurilor a totala SuprafataSsp = (2.4)

i variaz foarte mult de la un mediu la altul, fiind cu att mai mare cu ct mediul este mai divizat (mai fin).

Fig. 2.2 - Curba granulometric


30

Fig. 2.3. Diagrama ternar

2.3. APA LEGAT I APA LIBER

ntr-un mediu poros saturat exist dou feluri de ap: apa legat i apa liber. Apa este legat de suprafaa particulelor prin forele de atracie molecular.

Aceste fore descresc cu distana dintre molecula de ap i particula solid. Un prim strat adsorbit are o grosime de 0,1 i corespunde unei orientri a moleculelor de ap cu structur dipolar H-OH perpendiculare pe suprafaa solidului. Forele de atracie care apar sunt de ordinul 10000 bar i scad n raport cu distana.

n acest strat adsorbit proprietile apei sunt puternic modificate: vscozitatea foarte mare, densitatea relativ foarte mare (1,5). Numeroi ioni, n special cationi, pot fi reinui prin atracia conjugat a moleculelor de ap i ale solidului. ntre distanele de 0,1 i 0,5 exist o zon de tranziie care conine molecule de ap imobile care suport atracii suficient de mari. De la distana 0,5 forele de atracie sunt neglijabile, iar apa


devine liber. Apa liber se poate deplasa sub aciunea gravitaiei i a gradienilor de presiune.

Fenomenul de adsorbie a moleculelor de ap i a ionilor este legat de suprafaa specific a mediului poros i este foarte semnificativ pentru cazul argilelor (apa i ionii circul foarte greu prin argil).

Porozitatea cinematic a unui mediu poros saturat este

poros mediului al total Volumulcircula poate care apa de Volumulnc = (2.5)

Volumul porilor prin care poate circula apa este ntotdeauna mai mic dect

volumul total al porilor. ntr-un mediu poros nesaturat exist trei faze: solid, lichid, gaz. Pentru un VER

se poate defini coninutul volumic de umezeal sau umiditatea ca fiind

total Volumulcotinuta ap de Volumul

= (2.6)

i saturaia volumic sau gradul de saturaie Sw

porilor al total Volumulcontinuta apa de VolumulSw = (2.7)

poate varia de la 0 la n (porozitatea total), iar Sw de la 0 la 1 (sau de la 0 la

100%). Gradul de saturaie este legat de umiditate prin relaia

nSw

= ; n = porozitatea total. (2.8)

Coninutul masic de ap reprezint masa de ap aflat ntr-un eantion de sol raportat la masa de sol uscat.

s

aMM

= (2.9)

Un sol este convenional uscat dup ce inut n etuv la 105C ajunge la o greutate constant. Coninutul masic de ap este mai ridicat n argile dect n solurile grosiere. ntre coninutul masic i coninutul volumic de umiditate exist relaia

( )= d (2 10)


32

d = densitatea aparent a scheletului de sol (kg/m3); = densitatea apei (kg/m3);

tsd VM= (2.11) Ms = masa solului uscat; Vt = volumul total al solului.

n cazul n care solul conine att ap ct i aer, apa nconjoar particulele solide,

iar aerul are tendina de a sta n centrul porilor. n funcie de umiditatea din sol se pot distinge urmtoarele situaii: 1. n cazul n care faza lichid este continu i poate circula sub influena gravitaiei, iar faza gazoas (10-15% din porozitate) este discontinu i nu circul - solul este aproape saturat (zona de la suprafaa liber a pnzei freatice). 2. solul atinge capacitatea de cmp - expresie utilizat n agronomie, n cazul unui

sol din care apa gravific a prsit profilul (la cteva zile dup ploaie). n cazul n care faza lichid este continu dar nu circul doar sub acinea gravitaiei, se spune c solul se afl la saturaia de echilibru sau la capacitatea de retenie capilar. Faza gazoas este continu, dar nu circul prin pori.

Se numete porozitate de drenaj (specific yield) partea din porozitate care poate fi drenat gravitaional (nd), adic diferena dintre coninutul de ap al mediului saturat i cel obinut la saturaia de echilibru. 3. n cazul unui sol slab saturat apa nconjoar particulele formnd inele discontinue (ap pendular) Faza lichid, pe ansamblu, este continu, presiunile se transmit dar micrile apei sunt foarte lente datorit dimensiunilor reduse ale particulelor. Faza gazoas este continu dar imobil. n cazul n care coninutul de ap continu s scad (gravitaional sau prin evaporaie), n final va rmne doar apa legat (higroscopic).

Pelicula de ap legat formeaz un film continuu care nconjoar particulele

indiferent de starea de saturaie a solului. Acestei stri i corespunde saturaia ireductibil. n general, cu ct particulele unei roci sunt mai fine, cu att porozitatea eficace scade i capacitatea de retenie crete.

Presiunile negative, foarte mici la care poate fi supus apa dintr-un sol nesaturat msoar starea energetic a apei din sol, mai precis cantitatea de energie ce trebuie dat


unei molecule de ap pentru a fi desprins de particula de sol (molecula de ap este legat de sol prin fore electrostatice). Sub nivelul pnzei freatice se afl o zon saturat 100%. Deasupra acestui nivel se afl o zon numit franj capilar, n care are loc ridicarea apei datorit capilaritii (n tuburi capilare, conform legii lui Jurin). Saturaia este aproximativ 100% (85-90%), iar presiunea este mai mic dect presiunea atmosferic. Tabelul 1.1 - Porozitatea total pentru diferite tipuri de sol

TIPUL SOLULUI POROZITATEA

TOTALA (%) Granit nealterat 0,02-1,8 Cuarite 0,8 isturi, micaisturi, ardezii 0.5-7.5 Calcare, dolomite primare 0,5-12,5 Dolomite secundare 10-30 Cret 8-37 Gresie 3,5-38 Tufuri vulcanice 30-40 Nisipuri 15-48 Argile 44-53 Argile gonflate pn la 90 Soluri de cultur 45-65

2.4. POTENIALUL APEI DIN SOL

Apa din sol este supus la un mare numr de fore, de origini diferite: -forele masice (datorit gravitaiei orice element de sol este atras spre centrul Pmntului) -ntr-un sol saturat moleculele de ap sunt supuse unor fore de presiune -ntr-un sol nesaturat apa este reinut n sol sub efectul forelor de absorbie i de capilaritate -n prezena srurilor, apa este supus forelor de presiune osmotic. Aceste fore acioneaz asupra apei dup diferite direcii astfel nct este foarte greu de determinat fora rezultant n fiecare punct.


34

Este preferabil s fie calculat energia de care dispune apa din sol n fiecare punct. Astfel se poate calcula o energie cinetic (Ec) apoximativ nul datorit vitezelor relativ mici i o energie potenial (Epot 0) care depinde de poziia punctului i de starea intern a fazei lichide. Curgerea apei se produce dinspre punctele cu energie potenial mare spre cele cu energie potenial mic. Nu valoarea absolut a energiei poteniale a apei din sol, provoac transferul de mas ci diferena de potenial dintre dou regiuni vecine. Vom defini: 1) Energia potenal relativ este diferena dintre valoarea absolut a energiei ntr-un punct i o valoare de referin. Aceast valoare de referin este energia apei libere pure (supus doar gravitaiei), aflat la presiunea atmosferic, ntr-o poziie i la o temperatur de referin. De obicei energiei de referin i se atribuie valoarea zero. 2) Energia potenial specific este raportul dintre energie i mas, volum sau greutate, deci reprezint energia corespunztoare unei valori unitare. Deplasarea apei se face din punctele cu potenial ridicat spre cele cu potenial sczut. De exemplu, apa se deplaseaz dintr-un plan cu suprafaa liber (stare de referin) spre un punct din solul nesaturat unde energia este mai sczut, sub aciunea forelor de suciune. Potenialul total, Pott cuprinde mai multe componente, fiecare dintre acestea fiind legat de o for care acionnd asupra apei i modific energia potenial relativ, n raport cu cea a apei libere i pure. Aceste componente pot fi: -Pot g = potenialul gravitaonal (datorat forelor gravitaionale); -Pots = potential de submersie (datorat presiunii apei n mediile poroase saturate); -Potm = potenial matricial(datorat atraciei matricei solide asupra apei); -Poto = potenial osmotic(datorat prezenei srurilor); -Potn = potenal pneumatic(datorat suprapresiunii aerului din pori n raport cu presiunea atmosferic). Pott=Potg+Pots+Potm+Poto+Potn (2.12) Potenialul osmotic se manifest n prezena unor membrane semipermeabile, iar Potn este n final neglijabil. Astfel se nelege, n mod uzual, prin potenial hidraulic Pott=Potg+Pots+Potm. (2.13) Vom numi sarcin hidraulic H, raportul dintre energia potenial relativ i greutatea unei particule de fluid:


g Mrelativa potentiala Energia=H (m) . (2.14)

H reprezint o energie specific i se exprim n m. Potenialul gravitaional, Hg, este raportul dintre energia necesar pentru a ridica o mas M de ap la nlimea z deasupra unui nivel de referin i greutatea masei M

zg M

EH

z gV=z g ME

gg

ag

=

=

= (2.15)

Potenialul de submersie, Hs, este legat de presiunea pozitiv la care este supus apa sub nivelul suprafeei libere a pnzei freatice

V h g Egp=h ,h g =p

V pE

s

s

=

=

(2.16)

unde h este adncimea punctului fa de suprafaa liber.

h=g M

EH ss

= (2.17)

Potenialul matricial. Deasupra unei pnze freatice solul este nesaturat, iar apa este reinut n sol datorit forelor de atracie dintre matricea solid i ap. Aceste fore sunt: -forele de adsorbie a moleculelor de ap spre suprafeele solide, (de tip London- Van der Waals). Ele sunt foarte puternice dar descresc cu puterea a asea a distanei fa de peretele solid. Ca urmare particulele solide sunt nconjurate de o pelicul fin de lichid. -forele de capilaritate datorate existenei unei tensiuni superficiale. Astfel apa se ridic prin spaiile cu aspect capilar din matricea poroas. Potenialul matricial este negativ deasupra pnzei freatice, zero corespunztor suprafeei libere i pozitiv sub pnz. Energia potenial matriceal este


36

g iva)pori(negat din presiunea=h V; h g=Em

(2.18)

iar potenialul matricial:

h=g M

EH mm

= , (2.19)

h n acest caz nu are sens de cot a punctului, ci este raportul dintre presiunea din pori n (Pa) i greutatea specific a apei. Potenialul hidraulic, H, se exprim adesea prin energie potenial relativ specific: H = Hg + Hs sau H = Hg + Hm (2.20) H = z + h (m) (2.21) H = sarcina hidraulic total a apei din sol; z = sarcina gravitaional (m); h=sarcina de presiune sau de submersie (m) (h > 0) ntr-un mediu saturat sau sarcina de presiune matricial (h < 0) pentru mediul nesaturat. S-a neglijat energia cinetic

specific 2gv2 .Dac axa z este orientat n jos H = h-z.

n mediul nesaturat sarcina matricial h este ntotdeauna negativ. Aceast sarcin se nlocuiete uneori cu o mrime numit suciune care reprezint valoarea absolut a presiunii h. = - h sau = |h| 0 (2.22) Sarcina hidraulic devine: H =- + z dac axa este n sus (2.23) H = - - z dac axa este n jos. (2.24) Succiunea caracterizeaz intensitatea forei cu care apa este reinut de matricea solid.Se mai utilizeaz notaia


pF=log |h| = log ( n cm) (2.25) deoarece poate atinge valori foarte mari; = 10 cm, pF=1 ` = 1000cm, pF=3. Corespunztor umiditii volumice de ofilire a plantelor (n aceast situaie forele de succtiune care apar n rdcini sunt egale cu forele matriciale) apare o presiune h =-16000 cm respectiv o suctiune = 16000cm, deci pF = 4,2. 2.5. SARCINA HIRAULICA I SARCINA PIEZOMETRIC NTR-UN MEDIU POROS SATURAT

z

B

A

zAzB=HB

Suprafata libera

Fig.1.4 - Sarcina hidraulic

n cazul unui mediu poros saturat se definete sarcina hidraulic, ntr-un punct M, dintr-un fluid incompresibil supus forelor gravitaionale, ca fiind:

z+g

pg 2

v=H2

+ (2.26)

unde v este viteza real a fluidului n punctul de cot z. Aceast sarcin descrete n sensul curgerii sau este constant n cazul repausului. Viteza real v este foarte mic, astfel termenul v2/2g este neglijabil iar sarcina hidraulic devine:

zg

p=H +

(2.27)


38

numit nlime piezometric sau sarcin piezometric. Aceasta depinde de poziia originii axei z. Dac se practic un foraj n sol i se introduce un tub deschis la ambele capete, apa se va ridica n tub pn la nivelul B (fig.1.4.) Cota zB fa de sistemul de axe ales reprezint sarcina H n punctul de deschidere inferior al tubului. Acest tub se numete piezometru.

BBB

AABB

AA

A H=z+g p=z+

g )z-(zg +p=z+

g p=H

(2.28)

Dac fluidul este imobil n tubul piezometric i dac vom considera presiunea atmosferic egal cu zero (de referin), atunci HA = HB = zB. Cota zB din piezometru definete suprafaa liber a pnzei, adic limita care separ mediul poros saturat de cel nesaturat. Dac pnza freatic are o curgere orizontal sarcina rmne constant pe o vertical iar cota suprafeei libere este cea msurat de piezometru, indiferent de adncimea acestuia.

Dac curgerea nu este orizontal sarcina variaz cu adncimea i suprafaa liber este definit prin cota la care piezometrul ptrunde n mediul saturat. n practic piezometrul este perforat pe toat lungimea i astfel se msoar o sarcin medie n pnza freatic. Dac se ine seama de compresibilitatea fluidului sarcina piezometric este:

p

pog (p)

dp+z=H (2.29)

unde p0 este presiunea n originea axei Oz, iar p este presiunea ntr-un punct aflat la cota z.

Capitolul 2APA N MEDII POROASEPorozitatea cinematica a unui mediu poros saturat este

dispersia poluantilor

Documents