| KÁRMENTESÍTÉSI KÉZIKÖNYV 1 |
 |
|
|
|
|
|
SZENNYEZŐDESTERJEDÉSI MODELLEK A KÁRMENTESÍTÉSBEN | |
|
|
|
|
|
Ebben a fejezetben a transzportfolyamatok és azok modellezése, illetve a szennyezőforrások által okozott károk felszámolásával kapcsolatos tevékenységek kapcsolatát mutatjuk be. A felszín alatti szennyeződési folyamat egyszerűsített, rövid leírása után összefoglaljuk, hogy a modellezés milyen szerepet tölt be a kármentesítés különböző fázisaiban: az előmunkálatok, a tényfeltárás, a megvalósítás (kivitelezés) és az utóellenőrzés során. |
|
|
|
|
|
|
A szennyeződési folyamatokról röviden | |
|
|
|
|
Az 1. ábrán egy felszíni eredetű szennyeződés vázlatos képe látható. A terepen elhelyezett (veszélyes) hulladékból a talajba szivárgó csapadékvíz szennyezőanyagokat mos be, amelyek elszennyezik a talajt. A talaj sok szennyezőanyag megkötésére (adszorpció) és lebontására képes, azonban vannak közöttük olyanok, amelyek a vízben feloldódva beépülnek a növényekbe vagy a talajzóna alá (az ún. telítetlen zónába) szivárognak. A talajban való hosszabb tartózkodási idő elősegíti a (bio)kémiai átalakulási folyamatoknak kedvező állapot kialakulását, melynek révén az eredetileg folyékony vagy oldott formában lévő szennyezőanyag megkötődik a talajszemcsék felületén, vagy mikroorganizmusokba épül be, esetleg gáz formájában távozik.
Az oldatban maradó szennyezőanyagok miatt a talajvíz két esetben szennyeződhet: 1. ha a talajvíz szintje olyan közel van a terephez, hogy egy téli beszivárgási időszakban a szennyezés képes eljutni a talajvízig, 2. vagy a területen a talajvizet tápláló beszivárgás hosszú idő átlagában meghaladja a talajvizet megcsapoló párolgást. Hasonlóan zajlik le a szennyeződés abban az esetben is, ha a szennyezőanyag a felszín alatt található, sőt ekkor a helyzet még veszélyesebb, mert nem érvényesül a talaj szűrőképessége és a talajvízig megteendő út is rövidebb. A talaj és a telítetlen zóna szennyeződése gyakorlatilag csak a szennyezőforrás alatti területet, illetve annak közvetlen környezetét érinti, oldalirányú terjedéssel nem kell számolni.
A talajvízbe jutó szennyezés csak abban az esetben jelent veszélyt a szennyezőforráson kívüli területek alatti talajvizek minőségére és a mélyebb rétegekben tározott rétegvizekre, ha beszivárgási területről van szó (l. az előző bekezdésben említett 2 esetet). A talajvízbe jutó szennyezés terjedését alapvetően a felszín alatti víz áramlási viszonyai határozzák meg. Az áramlás iránya megszabja a szennyezési csóva terjedésének irányát is, míg az áramlás sebessége a terjedés gyorsaságát befolyásolja.
Az áramlási viszonyok mellett az adszorpció és a (bio)kémiai átalakulási folyamatok (ezek jellege eltér a talajban, illetve a telítetlen zónában tapasztalható biokémiai folyamatoktól) megváltoztatják az oldott formában mozgó szennyezőanyag mennyiségét, tehát a szennyezett zónában mozgó víz koncentrációja lényegesen eltérhet az induló koncentrációtól.
1. ábra - Egy szennyezési eset vázlata
A bemutatott szennyezési esettől némileg eltérnek a vízzel nem, vagy csak korlátozott mértékben elegyedő folyadékok által okozott szennyezések: pl. olaj (a víznél könnyebb), triklóretilén (a víznél kicsit nehezebb) vagy higany (a víznél lényegesen nehezebb). A szennyezőanyagok egyrészt a folyadékkal együtt, másrészt a talajban lévő levegőbe jutva gázként, harmadrészt a vízben oldódva terjednek. A különböző fázisok mozgása és az érintkező felületeken fellépő kölcsönhatások egy komplex folyamat-rendszer eredményei. A gáz fázisban lejátszódó folyamatoknak is fontos szerepe van az illékony anyagok terjedésében, illetve bizonyos szennyezőanyagok levegőztetéssel történő eltávolításában.
|
A SZENNYEZŐDÉS FOLYAMATA A TELÍTETT ZÓNÁBAN Az 1. ábrán bemutatott esetben egy kisebb sebességű függőleges vízmozgás párosul egy nagyobb sebességű oldalirányú vízmozgással. Az adott esetben a vízkivétel a természetes állapothoz képest nyilvánvalóan növeli a sebesség oldalirányú komponensét és ezzel együtt a szennyezés terjedésének sebességét is. Az ábra már azt az állapotot mutatja, amikor a szennyezési front elérte a vízkivételi helyet (egy, a szennyezőforrásból induló szennyezőanyag-részecske útját mutatja az ábrán berajzolt áramlási pálya). Ez természetesen egy idealizált útvonal. A valóságban a részecske ettől eltér, mert (1) a pórusokon belül a szemcséktől való távolság függvényében változik a sebesség, (2) a változó hidrológiai viszonyok és a változó vízkivétel miatt az áramlás iránya kisebb-nagyobb mértékben változik az időben, (3) a részecskék az áramlási közeg szilárd vázához ütődve (szemcsék vagy repedések fala) folyamatosan változtatják mozgásuk irányát. Ezek együttes következményeként a szennyezőanyag részecskék az idealizált áramlási pálya mentén szétszóródnak, a szennyeződési front mellett kialakul egy ún. diszperziós zóna is. Szennyezett víz tehát nem csak a szennyezőforrásból induló áramlási pályák mentén juthat a kutakba, hanem a diszperziós zónába kívülről belépő, eredetileg szennyezetlen áramlási pályák mentén is. Az előzőek szerint a termelt víz minőségét és ezzel a szennyezésnek a vízkivétel szempontjából felmerülő veszélyességét a különböző eredetű vizek keveredése határozza meg. |
|
|
|
|
|
|
A kármentesítés fázisai és a modellezés | |
|
|
|
|
Ahhoz, hogy a szennyeződés mértékét és veszélyességét feltárjuk, a várható továbbterjedést előrejelezzük, illetve a lehetséges beavatkozások közül kiválasszuk a legmegfelelőbbet, az előző fejezetben vázolt szennyeződési folyamatokról kell minél többet megtudni. Az információk értékelésében jut komoly szerep a szennyeződés-terjedési (vagy más néven transzport-) modelleknek.
|
A modellek az említett szennyeződési folyamatok matematikai leírásán keresztül szimulálják a valóságban lejátszódó folyamatokat és a számítások eredményeképpen gyakorlatilag a vizsgált terület bármely pontjára és a vizsgált időszak bármely időpontjára képesek becslést adni a várható szennyezőanyag koncentrációra. |
A becslés pontossága természetesen attól függ, hogy a matematikai leírás során mennyire sikerült az összes számottevő folyamatot beépíteni a modellbe, illetve a folyamatokat jellemző paramétereket milyen pontosan sikerül meghatározni. Más oldalról viszont, a modellezés során nem kell törekedni a vizsgált felszín alatti rendszer minden részletre kiterjedő leírására, elegendő a vizsgálat célkitűzése szempontjából szükséges pontosság elérése.
A modellek a feltárási pontokon bizonyos időpontokban mért adatokra támaszkodnak és az ezekből nyerhető információkat általánosítva adnak becslést a méréssel nem rendelkező pontokra, illetve a jövőre vonatkozóan, figyelembe véve a modellezett folyamatokban megnyilvánuló kölcsönhatásokat, amelyek bonyolultságuk miatt általában más módszerrel nem követhetők. A modellek tehát lehetővé teszik, hogy a rendelkezésre álló információkat a lehető leghatékonyabban használjuk fel.
A szennyeződések okozta károk enyhítésének, illetve felszámolásának fázisait foglaltuk össze a 2. ábra folyamatábráján. Látható, hogy a modellezés más-más módon, de minden fázisban megjelenik és hasznos segítséget nyújthat a munka elvégzésében.
2. ábra - A kármentesítés fázisai és a modellezés kapcsolata
|
|
|
|
|
|
AZ ELŐMUNKÁLATOK FÁZISA | |
|
|
|
|
|
Az előmunkálatok során a rendelkezésre álló adatok alapján értékelni kell a kialakult helyzetet és meg kell becsülni a szennyezés veszélyességét. |
A meglévő adatok alapján felépíthető egy előzetes modell, ami alkalmas a nedvesség- illetve az áramlási viszonyok értékelésére, valamint a szennyeződés kialakulásával kapcsolatos koncepció kidolgozására és ellenőrzésére. A rendelkezésre álló adatok alapján előzetesen becsülhetőek a paraméterek értékei, de a modell arra is felhasználható, hogy több változat eredményeinek összehasonlítása alapján információt kapjunk a szennyeződési eset különböző paraméterek iránti érzékenységéről, illetve a bizonyos kérdéses folyamatok fontosságáról vagy elhanyagolhatóságáról. Ezekhez a számításokhoz egy szoftvert is kell választani, amelyikbe éppen egy olyan matematikai modellt programoztak be, amire a koncepció alapján szükségünk van.
AZ ÉRTÉKELÉSHEZ FELHASZNÁLHATÓ ADATOK
|
Az előzetes modellel végzett számítások segíthetnek a terepi feltárási munkák optimális megtervezésében: a feltáró fúrások helyének kijelölésében (a szennyeződés becsült kiterjedése alapján), valamint az észlelendő adatfajták és az észlelési gyakoriság (a figyelembe vett folyamatok és azok időbeli változékonysága alapján) meghatározásában. A gondosan elvégzett előzetes modellezésre fordított idő és pénz várhatóan többszörösen megtérül a terepi és laboratóriumi munkák olcsóbb megvalósításában. Ezzel a módszerrel ugyanis jelentősen csökken annak a veszélye, hogy felesleges fúrások és laboratóriumi analízisek készülnek, illetve kimarad később lényegesnek mutatkozó információ beszerzése.
|
|
|
|
|
|
A TÉNYFELTÁRÁS FÁZISA | |
|
|
|
|
A terepi és a labormunkák eredményeként új információkhoz jutunk, amelyek hasznosíthatók a modell pontosításában. A helyesen megtervezett kiegészítő adatgyűjtéssel éppen azokra a kérdésekre kapunk választ, amelyek az előmunkálatok fázisában merültek fel, az értékelés bizonytalanságai miatt. A modell koncepcionális része (vagyis a figyelembe vett terület nagysága, a hidrogeológiai jellemzők, a figyelembe vett vagy elhanyagolt folyamatok) az új eredmények alapján ellenőrizendő és szükség esetén módosítandó. A vízszintekre és a szennyeződés kiterjedésére vonatkozó információk alapján meghatározhatók a modellnek azok a paraméterei, amelyek a számított és a mért eredmények közötti legjobb egyezést adják (kalibráció). A modell végeredményben akkor válik hitelessé, ha a szennyezési eset a modellel a megkívánt részletességgel és pontossággal reprodukálható.
Ha feltárási munkák több lépcsőben történnek, akkor a soron következő fázis tervezésekor az előzetes modellezésnél leírtak szerint kell eljárni, de már a pontosabb, megbízhatóbb modellt lehet felhasználni. Ha a munka ütemezése ezt megengedi, lehetőleg ezt a megoldást érdemes választani, mert ez biztosítja, hogy a modell és a mérések összhangjával a leghatékonyabb feltárás valósítható meg.
A részletes modellezés során az összes fontosnak ítélt információt (a szennyezőanyag és a szennyezés terjedése szempontjából érdekes közeg jellemzői) felhasználva vizsgáljuk a szennyezés várható terjedését. Első lépésben a beavatkozás nélküli állapotot. A modell eredményei alapján megállapítható a szennyezőforrás egyes környezeti elemekre vonatkozó veszélyessége, illetve az előrejelzett koncentráció értékek alapadatot jelentenek a szennyezéshez kapcsolódó egészségügyi és környezetvédelmi kockázat kiszámításához. A számításokat célszerű kiegészíteni az ismerethiányból (a szennyezőforrásra, illetve a közegre vonatkozó jellemzők nem pontos becslése miatt) származó bizonytalanságok bemutatásával, valamint a meteorológiai és hidrológiai folyamatok véletlen jellegét is tükröző bekövetkezési valószínűségekkel.
|
A feltárási fázisban a transzportmodelleket (1) a talaj, a talajnedvesség, a talajvíz és a rétegvíz egy vagy több szennyezőforrásból származó szennyeződésének meghatározására, (2) ennek alapján a szennyezőforrás veszélyességének és a vele járó kockázatnak a becslésére, (3) az ismerethiányból származó bizonytalanság becslésére, (4) egy adott mértékű szennyeződés bekövetkezési valószínűségének becsléséhez szükséges számítási változatok végrehajtására használjuk. |
Amennyiben a feltárt vagy az előrejelzett szennyeződés mértéke meghaladja a megengedett értéket és beavatkozásra (kárenyhítési vagy kárfelszámolási céllal) van szükség, a kalibrált modell alkalmas a különböző lehetőségek összehasonlítására. A veszélyesség megállapítása és a kockázatelemzés ebben az esetben is a számított koncentrációk alapján történik. Fontos megjegyezni, hogy a modellek alkalmas eszközök az összehasonlító elemzésekhez, hiszen könnyen megoldható, hogy a szcenáriók közötti különbségeknek megfelelően a modellnek csak egy vagy néhány eleme változzon, és így kizárólag a két változat közötti különbség jelenik meg az eredményekben. Tulajdonképpen ezeknek a szcenárióknak a vizsgálata mutatja a modellezés igazi hasznát: a jövőben várható szennyezettségi állapotok - bizonyos egyszerű esetektől eltekintve - nem lennének értékelhetők a modellekkel végzett előrejelzések nélkül. Érdemes megjegyezni, hogy az egyes lehetőségek közötti különbségek gyakran abban az esetben is értékelhetők, ha a kalibráció során a tervezettnél nagyobb eltérések mutatkoznak a számított és a mért eredmények között - ezt viszont megfelelő részletességű elemzésnek kell alátámasztania.
|
TRANSZPORTMODELLEK HASZNÁLATA A FELTÁRÁSI FÁZISBAN A szennyeződés mértékének meghatározása
A szennyezőanyag-koncentrációk számítását annyi komponensre kell elvégezni, amennyi a kémiai átalakulási folyamatok szempontjából fontos. Amennyiben az áramlási rendszer vagy a szennyezőanyag átalakulási folyamataiban fontossá válik a hőmérséklettől való függés, szükség van a hőtranszport modellezésére is, vagyis a hőmérsékletváltozások meghatározására. Nagy töménységű oldatok esetén a folyadék sűrűségének koncentráció függését is figyelembe kell venni. Bizonyos esetekben a fenti feladatokhoz képest jelentős egyszerűsítések tehetők. A megközelítésben azonban általában nem a feladat szintjén, hanem az igényelt pontosságában és a probléma komplexitásában van különbség: pl. a telítetlen zóna vagy a telített zóna részletes elemzése elhagyható, többfázisú transzportmodell felállítására általában csak nem vizes folyadékfázis vagy illékony anyag esetén van szükség, oldott formában konzervatív tulajdonságú szennyezőanyagok esetén szükségtelen az adszorpció és a lebomlási-átalakulási folyamatok vizsgálata. Az ismerethiányból származó bizonytalanság meghatározása Ennek meghatározására ugyanazok a modellek használhatók, mint az egyszeri számításokra, értelemszerűen változtatott paraméterekkel végrehajtott sorozatszámítások révén. A paraméterek változékonysága követhető geostatisztikai módszerekkel is, ebben az esetben a modellhez alkalmas paramétergeneráló modult kell kapcsolni. Adott mértékű szennyezés bekövetkezési valószínűsége Ez olyan számítási sorozatokat jelent, ahol a peremfeltételekben megjelenő hidrometeorológiai és hidrológiai hatások véletlen (sztochasztikus) jellegüknek megfelelően más-más értékkel szerepelnek. Ez a feladat sem igényel tehát újabb, speciális modelleket. |
|
|
|
|
|
|
A MEGVALÓSÍTÁS FÁZISA | |
|
|
|
|
A megvalósítási fázisban kerül sor a kiválasztott kárenyhítési vagy kárfelszámolási módszer terveinek elkészítésére és magának a beavatkozásnak a végrehajtására. A tervezés során egyrészt több technológiai változat összehasonlítására lehet szükség, illetve részletesen ki kell dolgozni az optimális változatot a környezeti hatásvizsgálattal együtt. Mint a részletes modellezéssel kapcsolatban is láttuk, a modellek kiváló eszközei az összehasonlító vizsgálatoknak. A technológiai szintű modellezés az előző fázisban készült modellek eredményeire alapozva, de a beavatkozás közvetlen környezetének a korábbinál részletesebb modellezését jelenti. Előfordulhat, hogy nem csupán a modell tér- és időbeli részletességében, hanem a figyelembe veendő folyamatokban is van különbség (pl. egy szénhidrogén szennyezés ventillációs eltávolításának tervezéséhez szükséges a gázfázisú transzport modellezése, ugyanakkor a nem vizes fázisú szennyezés terjedésének előrejelzéséhez esetleg elegendő volt a többfázisú folyadékmozgás modelljét alkalmazni).
A modellezés eredményei egyúttal felhasználhatók a hatásvizsgálatokban is. Mivel a hatásvizsgálat nem csupán a beavatkozás területére terjed ki, szükséges lehet a lokális technológiai modell és a nagyobb területre kiterjedő részletes modell kombinált alkalmazása.
|
|
|
|
|
|
AZ UTÓELLENŐRZÉS FÁZISA | |
|
|
|
|
A vizsgálatok befejezése után egy monitoring hálózat kialakításával kell nyomon követni a szennyezés további terjedését vagy a beavatkozás hatását. A hálózat tervezésében (az észlelési pontok kiválasztásában, a mérendő elemek és az észlelési gyakoriság meghatározásában) komoly segítséget jelentenek a modellezési tapasztalatok és a modellezés során felmerült bizonytalanságok. Ehhez mind a részletes modell, mind (ha ilyen volt) a technológiai modell eredményei felhasználhatók.
A monitoring üzemeltetése során kapott adatokat rendszeresen értékelni kell, össze kell hasonlítani a modellezéssel előrejelzett értékekkel. Amennyiben nincs számottevő különbség, ez azt jelenti, hogy a modellezés korrekt volt. Ellenkező esetben vissza kell térni a technológiai vagy a részletes modellhez. Ellenőrizni kell a modell paramétereinek becslését, sőt ha ez nem elegendő, felül kell vizsgálni a figyelembe vett folyamatokat is, vagyis a modellalkotás koncepcionális részét is.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
