بررسی پارامتریک نفوذ برخی آلاینده‌های نفتی نامحلول در آب به خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

2 استادیار گروه علوم خاک، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان

3 استاد گروه خاکشناسی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

سابقه و هدف: آلودگی زیست بوم، به‌ویژه خاک از چالش‌های مهم عصر کنونی است فعالیت‌های انسانی باعث ایجاد آلودگی‌های فراوانی در محیط زیست شده اند. هرچند که این آلاینده‌ها را می‌توان به دو گروه بزرگ معدنی و آلی تقسیم‌بندی کرد، لیکن آلاینده‌های مایع آلی نامحلول در آب (NAPL) از مهمترین آلاینده‌های آلی زیست محیطی به‌شمار می‌آیند و به عنوان یکی از آلاینده‌های بالقوه طبیعت آسیب‌هایی فراوان به زیست بوم وارد کرده اند. خاک آلوده افزون ‌بر اینکه آلاینده‌ها را از راه چرخه‌‌ غذایی وارد بدن انسان می‌کند، خود نیز می‌تواند به‌عنوان منبع آلودگی آب‌های زیر زمینی و آب‌ آشامیدنی باشد. خاک‌های آلوده، گستره‌ی استفاده از اراضی‌ را نیز محدود ‌می‌سازند. آلاینده‌های مایع آلی نامحلول در آب (NAPL) سهم بزرگی از کل آلاینده های زیست محیطی را تشکیل می دهند. درک چگونگی نفوذ NAPLها به خاک از اهمیّتی ویژه برخوردار است. زیرا با درک آن، می‌توان خاک‌های آلوده به NAPLها را اصلاح و اقداماتی مدیریتی برای جلوگیری از نفوذ آنها به سفره‌های آب زیرزمینی به‌کار گرفت. هدف از این پژوهش، ارزیابی کمّی فرآیند نفوذ برخی ترکیبات نفتی شامل نفت خام و نفت سفید به خاک بود.
مواد و روش‌ها: خاک مورد آزمون از اطراف پالایشگاه نفت تهران با بافت لوم شنی تهیه شد. با‌ استفاده از مدل‌های نفوذ فیلیپ، کوستیاکوف و گرین امپت پارامترهای نفوذ و با استفاده از قانون دارسی هدایت هیدرولیکی اشباع برآورد و با مقادیر اندازه‌گیری شده مقایسه گردیدند. به منظور ارزیابی کمّی تخمین‌های حاصل از مدل‌ها، از آماره‌های ریشه میانگین مربعات خطا و ضریب تبیین استفاده شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که با گذشت‌زمان‌، طول جبهه‌ی رطوبتی و نفوذ تجمعی NAPLها همانند آب ‌به صورت غیر خطی افزایش می‌یابد. بیشترین نرخ نفوذ برای این ترکیبات، همچون آب در زمان‌های ابتدایی نفوذ رخ داد. مقادیر هدایت هیدرولیکی اشباع برای نفت خام و نفت سفید به ترتیب 0٠58/0 و 280/0 سانتی‌متر بر دقیقه بدست آمد. به دلیل لزوجت بیشتر نفت سفید و کشش سطحی کمتر نسبت به آب، نگهداشت این سیال نسبت به آب کمتر و نرخ نفوذ آن بیشتر بود.
نتیجه‌گیری: نتایج ارزیابی کمّی فرآیند نفوذ نفت خام به خاک نشان داد که برای ترکیبات NAPLs هنگامی که زمان به سمت بی‌نهایت میل می‌کند، شدت نفوذ پایه آنها با هدایت هیدرولیکی اشباع این ترکیبات برابر نیست. زیرا در اواخر نفوذ، ضریب ثابت (S) تاثیر زیادی بر نفوذ این ترکیبات به خاک دارد. با توجه به نتایج، مدل نفوذ گرین- امپت و کوستیاکوف با در نظر گرفتن آماره RMSE، برآورد بهتری از نفوذ NAPLبه خاک ارائه می‌دهند. ویژگی‌های NAPLها همچون نوع ترکیب، ساختار شیمیایی، گرانروی، کشش سطحی و چگالی تاثیری به سزا بر نفوذ این ترکیبات به خاک دارند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Parametric assessment of infiltration of some NAPLs in soil porous media

نویسنده [English]

  • safoora Asadi Kapourchal 2
چکیده [English]

Abstract
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.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Darcy’s law
  • Infiltration models
  • NAPL
  • Saturation hydraulic conductivity
  • Soil contamination