PANNON EGYETEM
GEORGIKON MEZŐGAZDASÁGTUDOMÁNYI KAR Növénytermesztési és Kertészeti Tudományok
Doktori Iskola
Iskolavezető:
Dr. Gáborjányi Richárd az MTA doktora
Témavezető:
Dr. Makó András
a mezőgazdasági tudomány kandidátusa
TALAJOK SZERVES FOLYADÉKVISSZATARTÓ - ÉS FOLYADÉKVEZETŐ - KÉPESSÉGE
DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS
Készítette:
ELEK BARBARA
KESZTHELY
2009
TALAJOK SZERVES FOLYADÉKVISSZATARTÓ - ÉS FOLYADÉKVEZETŐ - KÉPESSÉGE
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében a Pannon Egyetem Növénytermesztési és Kertészeti Tudományok
Doktori Iskolájához tartozóan Írta:
Elek Barbara
Témavezető: Dr. Makó András
Elfogadásra javaslom (igen / nem) ………..
(aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,
Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:
Bíráló neve: …... …... igen /nem
……….
(aláírás) Bíráló neve: …... …...) igen /nem
……….
(aláírás) *Bíráló neve: …... …...) igen /nem
……….
(aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el.
Veszprém/Keszthely, ……….
a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése…...
………
Az EDT elnöke
Megjegyzés: * esetleges
TARTALOMJEGYZÉK KIVONAT
ABSTRACT
6 7
ZUZAMMENFASSUNG 8
1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS 9
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS 11
2.1. Talajt szennyező szénhidrogének és szénhidrogén-származékok 11
2.1.1. Általános jellemzés 11
2.1.1.1. Sűrűség 12
2.1.1.2. Viszkozitás 13
2.1.1.3. Vízoldhatóság 14
2.1.1.4. Illékonyság 16
2.1.1.5. Nedvesítő képesség 17
2.1.1.5.1. Határfelületi feszültség és illeszkedési szög 17 2.1.2. Szénhidrogénszennyezők visszatartása és mozgása a talajban 18
2.1.2.1. Általános jellemzés 18
2.1.2.2. Szénhidrogénszennyezési modellek és modellhasználat 19 2.2. Talajok folyadékvezető- és légáteresztő-, valamint folyadékvisszatartó-
képessége
23 2.2.1. Talajok vízvezető- és vízvisszatartó- képességének mérési és becslési
módszerei
24
2.2.1.1. A vízvezető-képesség mérése és becslése 24
2.2.1.2. Vízvisszatartás mérése és becslése 27
2.2.2. A talajok szerves folyadékvezető- és visszatartó-képességének mérési és becslési módszerei
31 2.2.2.1. A szerves folyadékvezetés mérése és becslése 31 2.2.2.2. A szerves folyadékvisszatartás mérése és becslése 34 2.2.2. Talajok légáteresztő- képességének mérési és becslési módszerei 36 2.2.3. A mérési és becslési módszerek a gyakorlatban 38
3. ANYAG ÉS MÓDSZER 40
3.1. A vizsgált talajminták jellemzése 40
3.2. A vizsgálatokban alkalmazott folyadékok jellemzése 41 3.3. Laboratóriumi vizsgálatok és a statisztikai értékelés módszere 42
3.3.1. Térfogattömeg meghatározása 42
3.3.2. Humusztartalom mérése 43
3.3.3. CaCO3 tartalom mérése 43
3.3.4. Mechanikai összetétel meghatározása 43
3.3.5. Aggregátum összetétel 44
3.3.6. A talajminták víz- és szerves folyadékvisszatartó-képességének mérése 44 3.3.6.1. Víz- és szerves folyadékvisszatartó-képesség mérése állandó
hőmérsékleten és változó nyomáson 45
3.3.6.2. Víz- és szerves folyadékvisszatartó-képesség mérése változó
hőmérsékleten és nyomáson 52
3.3.7. A talajminták folyadékvezető- és légáteresztő-képességének mérése 53 3.3.7.1. Hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető-képesség mérése 53 3.3.7.2. Vízre és szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképesség mérés 54 3.3.7.3. A talajok hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető-képességének,
valamint légáteresztő-képességének mérése 54
3.3.8. A szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség becslés
hibája 58
3.3.8.1. A szerves folyadékvisszatartó-képesség becslés hibája 58 3.3.8.2. A szerves folyadékvezető-képesség becslés hibája 59
4. AZ EREDMÉNYEK ÉRTÉKELÉSE 60
4.1. A talajok fontosabb mért fizikai és kémiai jellemzői 60 4.2. A talajminták mért és becsült víz- és szerves folyadékvisszatartó–
képessége 60
4.2.1. A talajminták víz- és szerves folyadékvisszatartó-képességének mérési eredményei és becslése állandó hőmérsékleten és változó nyomáson 60 4.2.2. A talajminták víz- és szerves folyadékvisszatartó-képességének mérési
eredményei és becslése változó hőmérsékleten és nyomáson 86 4. 3. A talajminták folyadékvezető- és légáteresztő- képességének mérési
eredményei és becslése 91
4.3.1. Hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető- képesség mérése és
becslése 91
4.3.2. Vízre és szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképesség mérések
eredményei 99
4.3.3. Talajok hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető- képességének, légáteresztő- képességének mérési eredményei, becslése 105
5. ÖSSZEFOGLALÁS, KÖVETKEZTETÉSEK 109
6. FELHASZNÁLT IRODALOM 116
7. TÉZISEK 132
THESES 134
8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS 136
9. TÁBLÁZATOK JEGYZÉKE 137
10. ÁBRÁK JEGYZÉKE 138
11. MELLÉKLETEK JEGYZÉKE 141
12. MELLÉKLETEK 143
KIVONAT
Talajok szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képessége
A szerző a talajok szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képességének laboratóriumi méréseit a Pannon Egyetem Georgikon Mezőgazdaságtudományi Karának Növénytermesztési és Talajtani Tanszékének kutatócsoportjában végezte. Vizsgálta közel százféle különböző talajminta szerves folyadékvisszatartó képességét és folyadékvezető- képességét a Dunasol 180/220 nevű modellfolyadékkal.
A kutatás célja a szénhidrogénszennyezés mozgását leíró terjedési modellekben alkalmazott Leverett-féle és Kozeny – Carman-féle becslő egyenletek becslési hibájának megállapítása, illetve pontosabb, új becslési eljárások kidolgozása volt.
A szerző az egyszerűen mérhető talajtulajdonságokból (térfogattömeg, agyag-, por-, homoktartalom, humusz- és mésztartalom) lineáris regresszió alkalmazásával a vizsgált talajok szerves folyadékvisszatartását és folyadékvezetését becslő egyenleteket parametrizált. Az így létrehozott pedotranszfer függvények megbízhatóságát növelte a folyadékvisszatartás becslés esetében a talajok mechanikai és aggregátum összetételét egy- egy értékkel jellemző átlagos geometriai átmérőknek a becslő egyenletekbe történő bevonása, a folyadékvezetés esetében a talajok légáteresztő-képességének az egyenletekbe független változóként történő beillesztése.
A parametrizált pedotranszfer függvények alkalmazásával csökkent a szerves folyadékvisszatartás és folyadékvezetés becslési hibája a Leverett-féle és Kozeny – Carman-féle egyenletekkel végzett becsléshez képest. A vizsgált modellfolyadékkal végzett kísérletek alapján megalkotott pedotranszfer függvények érvényessége kiterjeszthető más, a modellfolyadéktól eltérő apoláris, hidrofób szerves folyadékokra is.
ABSTRACT
The organic fluid retention and conductivity of soils
The author made her research of laboratory measurements about organic fluid retention and conductivity of soils in the research group working at the Department of Plant Production and Soil Science, Georgikon Faculty at Pannon University. She examined organic fluid retention and fluid conductivity of nearly one hundred different soil samples.
In the experiments model-fluid named DUNASOL 180/200 was used as a test-fluid.
The objective of the research was to determine estimation error occurring in estimation equations originated from Leverett and Kozeny-Carman, applied in spreading models describing movement of hydrocarbon contamination and to work out more punctual, new estimation methods.
The author has parameterised equations estimating organic fluid retention and conductivity of the soils in research by applying linear regression on the simply measurable soil- characteristics (bulk density, clay-, silt-, sand-, humus- and lime content).
Reliability of the such created pedotransfer functions has been increased – in case of estimating fluid retention – by inserting overall geometric diameters characterising mechanic and aggregate compound of soils by one value into the estimation equation. In case of fluid conductivity reliability of the equations has been increased by inserting air- permeability of soils into the equations as an independent variable.
Through applying pedotransfer functions, estimation error of organic fluid retention and conductivity has decreased compared to the estimations done by the equations originated from Leverett and Kozeny-Carman. Validity of the pedotransfer functions determined on the base of experiments made with the examined model fluid can be extended to other non- polar, hydrophobic organic fluids different from the model fluid.
ZUZAMMENFASSUNG
Der Rückhalt und die Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten in Böden
Die Verfasserin führte ihre Untersuchungen zum Rückhalt und zur Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten in Böden in der Forschungsgruppe des Lehrstuhls für Pflanzenzucht und Bodenkunde der Georgikon Fakultät der Pannon Universität durch. Der Rückhalt und die Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten in Böden wurden anhand von mehr als hundert Arten von Bodenproben mit der Anwendung des Modellflüssigkeites
„Dunasol 180/220“ untersucht.
Ziel der Forschung war es, den Schätzungsfehler der Gleichungen nach Leverett und nach Kozeny – Carman zu quantifizieren und genauere Näherungsmethoden auszuarbeiten.
Die Verfasserin parametrisierte Gleichungen, welche den Rückhalt und die Leitfähigkeit von organischen Flüssigkeiten in den untersuchten Böden beschreiben, aufgrund einfach messbarer Bodeneigenschaften (Volumendichte, Lehm-, Staub-, Sand-, Humus-, und Kalkgehalt) mit der Anwendung der linearen Regression.
Die Implementierung des durchschnittlichen Durchmessers in die durch die Parametrisierung entstandenen pedotransfer Funktionen steigerte die Plausibilität der Schätzung des Flüssigkeitsrückhalts. Der durchschnittliche Durchmesser gekennzeichnet dabei die mechanische und Aggregatzusammensetzung der Böden. Die Implementierung der Luftleitfähigkeit von Böden als unabhängige Variable steigerte die Plausibilität der Schätzung der Flüssigkeitsleitfähigkeit.
Der Schätzungsfehler verringerte sich deutlich mit der Anwendung der Pedotransfer Funktionen im Vergleich zur Schätzung der Gleichungen nach Leverett und nach Kozeny – Carman. Der Gültigkeitsbereich der Pedotransfer Funktionen, welche aufgrund von Untersuchungen mit der Modellflüssigkeit parametrisiert wurden, kann auch auf andere apolare hydrophobe organische Flüssigkeiten erweitert werden.
1. BEVEZETÉS ÉS CÉLKITŰZÉS
A felszíni és felszín alatti vizek, valamint a talajok minőségét veszélyeztető külső eredetű szennyeződések közül kiemelkedő fontosságúak a szénhidrogénekkel, illetve szénhidrogén származékokkal történő szennyezések. Ezek közül különösképpen jelentősek a környezetbe kerülő különféle kőolajszármazékok. A kőolaj és származékai a hétköznapi élet szinte minden területén megjelennek, és széleskörű felhasználásukkal összefüggésben környezetkárosító hatásuk is meglehetősen nagy.
A kőolaj és különböző származékai a talajra gyakorolt káros hatás tekintetében elsősorban azzal jellemezhetőek, hogy kitöltik a talaj pórustérfogatát, és ezzel gátolják a víznek a talaj kapillárisaiba való bejutását, illetve a már ott lévő vizet is kiszorítják azokból, ennek következtében a talaj víz-és levegőháztartása felborul, lehetetlenné téve a növényi életet. A 4 % feletti olajtartalom esetén a legtöbb mezőgazdasági növény elpusztul, mivel a növény gyökérzónájában a talaj szabad pórustérfogata megtelik kőolajjal és kőolajszármazékkal. A folyadékfázisként kőolajszármazékokat tartalmazó talajok tanulmányozása az 1990-es évek elejétől került a hazai tudományos érdeklődés előterébe. Ekkor a témának az adott különös aktualitást, hogy a kivonuló szovjet csapatok jelentős környezetszennyezést (talaj-, és felszín alatti vízszennyezések) hagytak maguk után. Ezek közül kiemelkedett a repülőterek kerozin, a páncélos laktanyák gázolaj szennyezése. A talajba került szénhidrogén-termékek 2,7 - 3,0 millió m3 talajt szennyeztek el. A felmérések alapján a szabad fázisú szénhidrogén-termékek mennyiségét 5500 - 6000 m3-re becsülték (Endrédy, 1997).
A vasúti pályák mentén is előfordulnak különféle kőolajszármazékot, illetve egyéb szerves oldószerek, tartálykocsi meghibásodás következtében. Nagy kőolajvezetékek meghibásodása, illetve mind gyakoribbá váló szándékos rongálása is jelentős talajterületet és felszín alatti vízkészletet szennyez el.
Nemcsak a már ténylegesen bekövetkezett kőolajszennyezések esetében, hanem a tervezett kőolajipari beruházások megvalósításához is egyre megalapozottabb környezetvédelmi hatástanulmányok szükségesek, melyek lényeges alkotóeleme a területek földtani, talajtani, hidrogeológiai jellemzése, illetve az esetlegesen bekövetkező szennyezések várható
A potenciálisan bekövetkező vagy már bekövetkezett kőolajszennyezések térbeli terjedésének előrejelzéséhez ismernünk kell a felszín alatti közeg, a talaj és a szennyező anyag tulajdonságait. A felszín alatti közegben végbemenő szennyezés terjedése és megkötődése szempontjából fontos szerepet tölt be a talaj pórusrendszere, valamint annak szerves folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képessége. A hazai és nemzetközi gyakorlatban a szerves folyadékvisszatartó-, illetve szerves folyadékvezető-képességet elsődlegesen becsléssel határozzák meg, csak igen ritkán laboratóriumi vagy terepi mérésekkel. A becslés alkalmazásakor felvetődik a becslés pontosságának a kérdése.
Bizonyos becslési eljárások esetében a mért és becsült adatok nagyságrendileg különbözhetnek.
Kutatásaim fő célkitűzése az volt, hogy a „hagyományos” becslési eljárásoknál (Leverett . féle és Kozeny-Carman féle) megbízhatóbb becslési eljárást dolgozzam ki a felszín alatti közegbe került vagy potenciálisan bejutó szénhidrogénszennyezés terjedésének leírásához.
Kutatásaim elsősorban a talajban végbemenő szerves folyadékvisszatartásra és folyadékvezetésre irányultak.
Főbb célkitűzéseim a következők voltak:
• Új mérési módszerek kifejlesztése, melyekkel eredeti szerkezetű és mesterséges talajmintákon egyszerűen végezhetők a folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képesség mérések. Továbbá olyan mérési eljárás kifejlesztése, mellyel különböző fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező folyadékokkal (desztillált víz és apoláros szerves folyadék) is mérhető a folyadékvisszatartás és folyadékvezetés.
• Összehasonlítani a folyadékvisszatartás és folyadékvezetés mérési eredményeit a transzportmodellezésében használt becslő egyenletekkel kapott értékekkel.
• A telített talajban végbemenő több folyadékfázisú áramlás vizsgálata.
• Meghatározni az egyszerűen mérhető talajtulajdonságok (térfogattömeg, agyag-, por-, homoktartalom, humusz- és mésztartalom) és a talajok folyadékvisszatartó- és folyadékvezető-képessége, valamint légáteresztő-képessége között fennálló kapcsolatot.
Továbbá vizsgálni a talaj mechanikai és aggregátum összetételét egy-egy értékkel jellemző átlagos geometriai átmérők (GMD(mech) és GMD(aggr)) és a szerves folyadékvisszatartás kapcsolatát.
2. IRODALMI ÁTTEKINTÉS
2.1. Talajt szennyező szénhidrogének és szénhidrogén-származékok
2.1.1. Általános jellemzés
A szénhidrogének a kitermeléstől egészen a felhasználásig és még azt követően is.
szennyezhetik a földtani réteget, a talajt, a felszíni és a felszín alatti vizeket (Rubin et al., 1998).
A talajba kerülő szénhidrogének jelentős része kőolaj és kőolaj származék. A kőolaj természetes szénhidrogének bonyolult összetételű elegye. A kőolajok átlagosan 80-88 % szenet, 10-14 % hidrogént, 0,1-7,0 % oxigént, 0,02-1,1 % nitrogént, 0,01-5,0 % ként és nyomokban szervetlen elemeket (Al, As, Ca, Cl, Cu, Fe, I, Na, Ni, Mg, Mn, P, V, stb.) tartalmaznak (Anton és Simon, 1999). A kőolajban lévő szénhidrogének szénatom száma 1-4-től 60-ig terjed és az alábbi vegyületcsoportokból alkotják vagy tevődik össze (Bruckner, 1964):
- paraffinok - olefinek
- naftének vagy cikloparaffinok
- aromás szénhidrogének: acetilének, poliolefinek, cikloolefinek - oxigéntartalmú vegyületek
- kéntartalmú vegyületek - nitrogéntartalmú vegyületek.
Az előbbi szénhidrogén vegyületek aránya a kőolajban (1. táblázat) széles határok között változhat (Goldberg és Gazda, 1984).
1. táblázat: Szénhidrogén vegyületek aránya a kőolajban
A szénhidrogének típusa és % aránya Kőolaj
Normál
paraffinok Izo
paraffinok Ciklo paraffinok
Aromás szénhidrog-
ének
Nafteno –
aromások Kéntartalmú
vegyületek Aszfalt, kátrány Könnyű
frakció 23,2 12,8 41,4 6,4 8,1 - 8,4
Nehéz 0,95 3,2 19,2 9,15 27,9 16,5 16,5
A környezetbe kikerülő szénhidrogénvegyületek egy különösen veszélyes csoportját alkotják a vízben oldhatatlan vagy csak csekély mértékben oldódó vegyületek. Ezek a talajban, a felszín alatti közegben gyakran különálló fázisként vannak jelen. A nemzetközi szakirodalom nem vizes fázisú folyadékoknak (nonaqueous phase liquid: NAPL-eknek) nevezi őket. A NAPL-ok azon csoportját melyek a víznél sűrűbbek DNAPL-eknek (dense nonaqueous phase liquid-nek), míg a víznél kisebb sűrűségűek LNAPL-eknek (light nonaqueous phase liquid-nek) nevezik (Schwille, 1984; Mackay et al., 1985). A DNAPL- ek csoportjában találhatók a klórozott szénhidrogén típusú oldószerek, a PCB olajok és a szénkátrányok. A LNAPL-ek között foglalnak helyet a benzinek, a különböző fűtőolajok és a repülőgép üzemanyagok, mint például a kerozin. Ezek a szennyezők általában több szerves vegyület igen bonyolult keverékéből állnak (Powers et al., 1991 és 1992).
A NAPL keverékek viselkedése az összetevőik között fellépő kölcsönhatások jelentősen eltérhet az alkotók „tiszta állapotú” viselkedésétől (Banerjee, 1984).
A szénhidrogének és a szénhidrogén származékok valamely közegben (talaj, kőzet, víz) történő mozgása, terjedése fizikai és kémiai tulajdonságaik (pl. a viszkozitás, a nedvesítő képesség, a határfelületi feszültség, stb.) ismeretében írható le.
2.1.1.1. Sűrűség
A sűrűség elsősorban a NAPL vegyületek molekuláris felépítésétől függ. Az USA-ban kármentesített helyszíneken fellelt LNAPL sűrűsége 700 kg/m3 és 900 kg/m3, míg a DNAPL sűrűsége 1030 kg/m3 és 1700 kg/m3 közötti tartományban mozgott 4 oC-on (viszonyításképpen a víz sűrűsége 4 oC-on 1000 kg/m3) (U.S. EPA, 1995a, 1995b, 1996).
A környezetbe kikerült NAPL-ok általában rendkívül sok összetevőből állnak.
Általánosságban elmondható, hogy sűrűségük a hőmérséklet csökkenésével növekszik (Edmondson, 1965; Munson et al.,1990; Sleep és Ma, 1997). Sleep és Ma (1997) kétféle NAPL-t (un. Voltesso 35-el és tetraklór-eténnel) mérve azt tapasztalták, hogy a hőmérséklet 20 oC-ról 90 oC-ra emelkedésekor, a NAPL-ok sűrűsége 5 %-al csökkent.
A 80-as, 90-es években a DNAPL szennyezők talajból történő eltávolítására sok olyan kármentesítési eljárással próbálkoztak, mely során a talaj hőmérsékletét növelték a szennyező anyagok sűrűségének csökkentése érdekében (Johnson and Leuschner, 1992).
A különböző kármentesítendő helyszíneken fellelt NAPL-ok sűrűség rendkívül változatos.
Néhány szerves vegyület sűrűségére vonatkozó adatot közöl Verschueren (1983) és Mackay et al. (1993).
Cohen és Mercer (1993) New York Államban S-Area területén feltárt DNAPL szennyezőkre vonatkozóan közöl sűrűség adatokat, ahol a szénhidrogén szennyezők sűrűsége 0,867 – 2,090 g/m3 között változik.
2.1.1.2. Viszkozitás
A szerves folyadék viszkozitása szintén fontos paraméter a kármentesítésben. A sűrűség és a viszkozitás ismertében becslik például a talaj vízvezető-képességéből adott szerves folyadékvezető-képességet. Egy vagy néhány összetevőből álló NAPL viszkozitása kézikönyvben is megtalálható (Verschueren, 1983). Több komponensű NAPL viszkozitása a helyszíni körülményektől függ. A tényleges viszkozitást a műszaki beavatkozás helyszínéről vett mintából kell meghatározni laboratóriumban (U.S. EPA, 1996).
Általánosságban elmondható, hogy a szerves folyadékok, így a NAPL-ek dinamikai (abszolút) viszkozitása csökken a halogénezettség fokának növekedésével, a hőmérséklet emelkedésével, míg növekszik a molekulaméret, a molekulák összetettsége és a polaritás növekedésével (Makó, 1995a, U.S. EPA, 1995 a, b).
NAPL-ok terjedésekor a dinamikai viszkozitással szemben a kinematikai viszkozitás a meghatározó, mely a NAPL-ok mozgékonyságát jobban jellemzi. A kinematikai viszkozitás (mértékegysége: 10E-6 m2/s= 1cSt) a folyadék dinamikai viszkozitásának és sűrűségének hányadosa.
A 2. táblázatban a víz és néhány NAPL dinamikai, a 3. táblázatban a kinematikai viszkozitása található különböző hőmérsékleteken (Horváth és Endrédy, 1996).
2. táblázat: A víz és néhány NAPL dinamikai viszkozitása különböző hőmérsékleteken
Folyadék Hőmérséklet (oC) Dinamikai viszkozitás
(cPoise) víz 0
15 25
1,79 1,14 0,89 benzin 0
15 0,75
0,62 gázolaj 0
15
3,90 2,70 kerozin 0
15 25
3,40 2,30 2,20
3. táblázat: A víz és néhány NAPL kinematikai viszkozitása különböző hőmérsékleteken
Folyadék Hőmérséklet (oC) Kinematikai viszkozitás
(10E-6 m2/s= 1cSt) víz 10
20
1,3 1,0 benzin 10
15 0,7
0,62 gázolaj 0
15
3,90 2,70 kerozin 0
15 25
3,40 2,30 2,20
fűtőolaj 20 2,20 – 2,40
2.1.1.3. Vízoldhatóság
Adott NAPL szennyeződés környezeti hatásainak megítélése, illetve a kármentesítés tervezése szempontjából jelentős a szerves szennyező vízoldhatóságának ismerete.
A vízoldhatóság mértékét befolyásolja a hőmérséklet, a molekula tömege és a telítettség. A molekulatömeg csökkenésével és/vagy hőmérséklet növekedésével nő a vízoldhatóság (Major, 1991). Az 4. táblázat az egyes szénhidrogének desztillált vízben való oldhatóságát mutatja 25 oC-on (Horváth és Endrédy, 1996).
4. táblázat: Szénhidrogének desztillált vízben való oldhatósága 25 oC-on Szénhidrogén Vízoldhatóság
(mg/l)
Szénhidrogén Vízoldhatóság (mg/l)
metán 24,4 cilopentán 156,0
etán 60,4 cilohexán 55,0
Propán 62,4 cikloheptán 7,9
n-bután 61,4 benzol 1780,0
n-pentán 38,5 toulol 515,0
n-hexán 9,5 o-xilol 175,0
n-heptán 2,9 etilbenzol 152,0
n-oktán 0,66 n-propilbenzol 9,0
n-dekán 0,016, n-butilbenzol 5,0
n-oktadekán 0,0021 n-hexadekán 0,0009
n-amilbenzol 3,0
Néhány NAPL desztillált vízben való oldhatóságát mutatja a 5. táblázat (Horváth és Endrédy, 1996).
5. táblázat: NAPL-ek desztillált vízben való oldhatósága
NAPL Oldhatóság (mg/l)
nyersolaj 6,9 – 19,6
benzin 14,8 – 17,5
kerozin 4,8-12,6 gázolaj 4,4-17,7
A szénhidrogén vegyület vízoldhatósága általában a vízfázis és egy több szénhidrogén vegyületből álló "nem vizes folyadékfázis" vagy "oldhatatlan fázis" közötti egyensúlyi folyamat eredményeként értelmezhető. Az egyensúlyi állapot jellemzését teszi lehetővé az úgynevezett szerves folyadék - víz megoszlási koefficiens (Kov) vagy a fázisok egyensúlyi koncentrációja. A két folyadékfázis egyensúlya - egy szénhidrogénre a vegyület koncentrációjától, vízoldhatóságától, illetve a vegyület olajtermékben való oldhatóságától függ. Általánosan a vízben jobban oldódó szénhidrogén vegyületek (pl. aromás vegyületek) vízoldhatósága is messze elmarad az olajban oldhatóság mögött. Ezzel magyarázható, pl., a benzol 1750 mg/l-es vízoldhatósága (víztelítési koncentrációja)
helyett csupán 65 mg/l-es egyensúlyi koncentráció mérhető laboratóriumi körülmények között egy előzetesen összerázott benzin-víz keverék vízfázisában (Bruce, 1993).
A talajban a vízfázis szénhidrogén koncentrációja messze elmarad a laboratóriumban mérhető elméleti egyensúlyi koncentrációktól. Ennek oka egyrészt, az hogy a kőolajszármazék és a víz nem keveredik a talajokban. Másrészt a vízben oldott vegyületek koncentrációja a fázisok érintkezési felületétől távolodva állandóan csökken a hígulás, az adszorpció, a párolgás és a biodegradáció következtében (Minnich, 1993; Bruce, 1993).
2.1.1.4. Illékonyság
A NAPL-ok, illetve a bennük lévő szénhidrogének illékonyságát a moltérfogat, az alkotók parciális nyomása, a hőmérséklet, illetve az alkotók forráspontjai határozzák meg. Az illékonyság a kisebb szénatomszámoktól csökken a nagyobbak felé (U.S. EPA, 1995 a,b Horváth és Endrédy, 1996). Az illékonyság érzékszervek által észlelhető megjelenési formája a szag. Az érzékszervek által észlelhető határ szénhidrogéneknél a 0,01 – 0,03 mg/l koncentráció.
A szennyező anyag gőzeinek jelenléte a talaj gőzfázisában, a telítetlen talajrétegekben, szennyező forrásként szolgálhat a telített, és telítetlen talajréteg vízfázisa számára. A szennyező gőzök igen mozgékonyak, és tekintélyes távolságra képesek elvándorolni. A szénhidrogén gőzök vándorlása és felhalmozódása (pl. pincékben, alagsorokban, alagutakban) sok tűzeset és robbanás okozója lehet (Corapcioglu és Baehr, 1987).
A kármentesítési gyakorlatban a vákuum-extraakció vagy a talajgőz-extraakció módszerét széles körben használják abból a célból, hogy eltávolítsák az úgynevezett könnyen illékony szerves alkotórészeket (benzol, toluol, etil-benzol, és xilol) a telítetlen talajrétegekből, ezáltal csökkentsék a további talajvízszennyezést. A vákuum-extraakció sikere erőteljesen függ a szennyező anyag gőznyomásától, és a talaj légáteresztő-képességétől. Mivel csak viszonylag illékony vegyületek vannak a talaj „gázfázisában” a szennyező anyag gőznyomása a vákuum-extraakció legfontosabb paramétere. Bennedsen (1985) szerint azok a szennyező vegyületek, amelyek gőznyomása nagyobb, mint 0,5 Hgmm, eléggé illékonyak ahhoz, hogy vákuum-extraakcióval sikeresen eltávolítsuk azokat. A szennyező anyag gőzeinek az eltávolítása a telítetlen talajrétegekben létrehozott gőznyomás gradiens
menti gőzáram intenzitásától függ, így a talaj légáteresztő-képessége meghatározó az extrakciós módszerben.
2.1.1.5. Nedvesítő képesség
A kőolajipari kutatásokban a földtani közegben végbemenő többfázisú folyadékáramlás vizsgálatánál a nedvesítő képességet, mint fontos folyadékjellemzőt veszik figyelembe (Anderson, 1986).
A talajban egy szerves folyadék másik, azzal nem elegyedő folyadék jelenlétében történő terjedését jelentős mértékben befolyásolja a szerves folyadék nedvesítőképessége.
Többfázisú folyadékáramlás esetén a nedvesítő folyadék a kisebb pórusokat is kitölti, míg a nem nedvesítő folyadék csak a nagyobb pórusterekbe jut be. A telítetlen zónában, ahol a szilárd szemcsék között levegő, víz, szerves folyadék (pl. NAPL) foglal helyet, a nedvesítő folyadék ásványi szemcséket von be és a pórustérből fokozatosan kiszoríthatja a levegőt (U.S. EPA, 1995 a,b).
2.1.1.5.1. Határfelületi feszültség és illeszkedési szög
A nedvesítőképesség értéke a határfelületi feszültség értékétől függően változik és az illeszkedési szöggel jellemezhető. A határfelületi feszültség számottevő hatást gyakorol a nedvesítő képességre (Mercer és Cohen, 1990).
Két egymással nem elegyedő folyadék találkozásakor a folyadékok közötti felületen határfelületi feszültség lép fel. Általában a határfelületi feszültség annál nagyobb minél nagyobb a két egymással nem elegyedő folyadék közötti felület stabilitása (Bear, 1972). A határfelületi feszültséget befolyásolja a felszín alatti közeg, az áramló fluidumok (folyékony vagy gáznemű) hőmérséklete és kémhatása (Davis és Lien, 1993).
Az illeszkedési szög (θ) az a szög, melyet az áramló fluidumok (folyékony vagy gáznemű) felülete és a szilárd felület zár be ott, ahol a három fázis találkozik. Ha, az illeszkedési szög kisebb, mint 90o (1. ábra) a folyadék nem nedvesítő, míg ha, az illeszkedési szög nagyobb, mint 90o, a folyadék nedvesítő (Domenico és Schwartz, 1998).
1. ábra: Illeszkedési szög alakulása különböző közegek (szilárd, folyékony és gáz) találkozása esetében
2.1.2. Szénhidrogén szennyezők visszatartása és mozgása a talajban
2.1.2.1. Általános jellemzés
A talajfelszínre jutó különféle szénhidrogén szennyezőkre, illetve az őket alkotó vegyületekre az alábbi folyamatok hathatnak (Schwille, 1981; Nielsen et al., 1986; Weber és Miller, 1989; Wilson et al., 1990; Hayden and Voice, 1993; Hatfield and Stauffer, 1993; Makó, 1995c; Abriola et al., 1999; Ortiz et al., 1999; Willson et al., 2000; Abriola et al. , 2004.):
• felszíni elfolyás önálló folyadékfázisban, oldott, vagy a szilárd részecskék felületén adszorbeált formában (eróziós talajszennyezések);
• deflációs vándorlás adszorbeált állapotban;
• szorpciós és deszorpciós folyamatok az agyagásványok, egyéb ásványi felületek (oxihidroxidok), illetve a talaj szerves anyagai közreműködésével;
• gőzfázisú diffúziós áramlások;
• a vízfázis és a szénhidrogén fázis oldott vegyületekre kialakuló egyensúlyi megoszlásai;
• a vízfázisba beoldódó komponensek szállítódása a hidrodinamikai transzportfolyamatok révén (beleértve az oldott anyag diffúziós és konvektív- diszperzív áramlását);
• nem vizes fázisú folyadékáramlások;
szilárd fázis
víz NAPL
NAPL
levegõ levegõ víz
• felszívás, kiválasztás, illetve visszatartás a termésekben és növénymaradványokban;
• különféle degradációs folyamatok, beleértve az alkotó vegyületek mikrobiológiai , és kémiai bomlását, valamint a felszínközeli talajrétegekben lejátszódó fotokémiai reakciókat.
2.1.2.2. Szénhidrogénszennyezési modellek és modellhasználat
A kármentesítés tervezésének fontos része a szénhidrogének és szénhidrogén származékok felszín alatt végbemenő terjedésének matematikai egyenletekkel, illetve számítógépes modellezéssel történő leírása.
A többfázisú folyadékáramlás törvényszerűségeinek leírásához az első információkat a kőolajföldtani kutatásokból nyerték (Amyx, et al., 1960).
Az 1970-es évek végén olyan matematikai modelleket fejlesztettek ki a kőolajkutatásban, melyek az egymással nem elegyedő olaj és víz fázis áramlását írták le a felszín alatti közegben (Crichlow, 1977; Peaceman, 1977).
Az 1980-as évek közepén ezek a modellek adták a kiindulópontot a talajra kiömlő, a felszín alatti közegbe szivárgó kőolajszármazékok mozgását leíró modellek megalkotásához.
A vízzel nem elegyedő folyadékfázis (NAPL) és a talajvíz együttes áramlását kétfázisú áramlásként elsőként van Dam írta le 1967-ben. A 70-es évektől számos modellt fejlesztettek ki a nem elegyedő folyadékok (víz és olaj) matematikai leírására (Mull, 1971;
Mull, 1978; Dracos, 1978; Hochmut and Sunada, 1985). Ezek a modellek a porózus közegben fellépő kapillaritást elhanyagolhatónak tekintették, mely egyben azt is jelentette, hogy a talaj pórusrendszerét a víz- és olajfázisra nézve állandó telítettségűnek vették, ami a természetes állapotok „zavaró” leegyszerűsítése volt.
A 80-as években megjelentek azok a modellek, a kapillaritást is figyelembe vették. Guswa (1985) egydimenziós, vertikális, kétfázisú áramlást szimuláló modellt készített. E modellt
kétdimenziós áramlás szimulálására. Faust modelljéhez hasonló modellt alkotott Osborne és Sykes (1986). Faust (1985) modellje Osborne és Sykes (1986) modelljébe már beépítette a talaj levegőfázisát is statikus levegőfázisként. Fontos lépést téve a többfázisú áramlás modellezésének irányába.
Abriola és Pinder (1985a, 1985b) olyan kétdimenziós modellt fejlesztettek ki, mely az előbbieken túlmenően figyelembe vette a vízzel nem elegyedő szerves folyadékfázis (NAPL) kipárolgását talaj levegőfázisába, illetve kioldódását a talaj vízfázisába, lerakva a fáziskölcsönhatások leírásán alapuló többfázisú folyadékáramlás modellek alapjait.
Kuppusamy et al. (1987) olyan kétdimenziós, többfázisú folyadékáramlás modellt készített, mellyel becsülni lehetett a különböző fázisokban lévő szerves folyadék, víz és levegő egyidejű tömegáramlását. A gázfázist eközben állandó nyomásúnak feltételezték. A modellezés eredményeinek ellenőrzésére két folyadékfázisú (víz-olaj) rendszerben oszlopkísérletet hajtottak végre, s ennek eredményeit vetették összes a számítógépes modell eredményével.
Faust et al. (1989) többfázisú folyadékáramlást szimuláló programja háromdimenziós körülmények között becsülte a folyadékmozgást. Numerikus becslési módszerüket alkalmazták két veszélyes hulladéklerakó-hely vizsgálatakor az önálló fázisú szerves folyadékmozgások modellezésére.
Lenhard és Parker (1988) és Kaluarachchi és Parker (1989) kétdimenziós numerikus szimulációval becsülték az önálló fázisú szerves folyadék, víz és levegő egyidejű tömegáramlását.
A gázfázist atmoszférikus nyomásúnak feltételezték. Számos matematikai modellt állítottak elő, melyek eredményeit– - alacsony vízoldhatóságú szerves folyadék beszivárgására és szétterjedésére végzett - egydimenziós oszlopkísérlet eredményeivel vetették össze.
Kaluarachchi és Parker (1989) a modellt háromdimenziós modellkísérletek eredményivel is összehasonlították, mely kísérletekben az önálló folyadékfázis beszivárgását vizsgálták alacsony víztartalom mellett. Továbbfejlesztették szimulációs modelljüket is, mely által a
szerves folyadék, víz, gáz és szilárd fázis között megoszló szerves vegyületek többkomponensű szállításának becslésére.
A többfázisú folyadékáramlást és szerves vegyület-transzportot szimuláló modelleket fejesztettek ki Corapcioglu és Baehr (1987), Panday és Corapcioglu (1994), valamint Miller et al.(1990, 2004). Corapcioglu és Baehr (1987) olyan modellt alkottak meg, mely egyaránt tartalmazta a többfázisú folyadékáramlások, a szerves vegyület-transzport, a folyadék-szilárd felszíni adszorpció és deszorpció, valamint az oxigén ellátottság által szabályozott biodegradációs folyamatok matematikai leírását. A modellben egyensúlyi tömegmegoszlást tételeztek fel. Miller et al. (1990, 2004) modelljükben nem egyensúlyi tömegeloszlást feltételeztek. A modellel végzett számítógépes szimulációk eredményei azt mutatták, hogy a szerves vegyületek koncentrációja a vízfázisban csak igen nagy talajvíz áramlási sebességeknél alacsonyabb, mint az egyensúlyi koncentráció. Ezáltal mintegy igazolták a helyi egyensúlyok kialakulását feltételező modellek helyességét. Miller és társai vízzel, toluollal és üveggyöngyökkel töltött kis oszlopokon végzett modellkísérletei is a számítógépes modellezés eredményeit támasztották alá. Panday és Corapcioglu (1994) a többfázisú folyadékáramlást és szerves vegyület-transzportot nem izotermális körülmények között, tömörített porózus közegben modellezték.
Huyakorn et al. (1994) olyan háromfázisú modellt alkottak, melyben az összes fázist áramló fázisnak feltételezték. A modell tartalmazott olyan egyszerűsítő lehetőségeket, mely által az egyes áramló, azaz aktív fázisokat passzívként lehetett kezelni, esetleg el is lehetett hagyni.
A rendkívül bonyolult fáziskölcsönhatásokat szimuláló összetett modellek a 90-es évektől úgy fejlődtek, hogy a szennyeződések terjedésének és átalakulásának természetes körülmények melletti előrejelzése mind-inkább összekapcsolódott az egyes kármentesítési technológiák várható hatásainak előrejelzésével.
Sleep és Sykes (1993) olyan összetett modellt hozott létre a talaj és talajvíz-rendszer szennyeződésének és a kármentesítési technológiák vizsgálatára, mely együtt kezelte – izotermikus feltételek mellett – a vizes folyadékfázis, a nem vizes folyadékfázis (NAPL) és a gázfázis áramlását. Új rendszert dolgoztak ki a minimális víztelítettség mellett a NAPL-
Letniowski és Forsyth (1991) által kifejlesztett modellek is szorosan kapcsolódtak egy-egy kármentesítési technológiához. Forsyth és Shao (1991) a fáziskölcsönhatásokat is figyelembe vevő modelljüket az úgynevezett talajlevegőztetéses kármentesítési eljárás hatásainak szimulálására fejlesztették ki.
A forró vizes talajmosási és gőzextrakciós tisztítási eljárásokhoz kapcsolódnak Falta et al.
(1992 a) és Forsyth és Simpson (1991) nem izotermális modelljei.
Forsyth és Sudicky (1998) a „talajmosásos” kármentesítési technológiákhoz kapcsolódóan modellezte a többfázisú folyadékáramlást, ezen belül elsősorban a vizes fázis és a nem vizes folyadékfázis (NAPL kölcsönhatásait.
White et al. (1995) többfázisú folyadékáramlást szimuláló háromdimenziós, háromfázisú modellje az előzőekben ismertetett komplex modellektől alapvetően különbözik, mivel a folyadéknyomás, a folyadéktelítettség és a relatív áteresztőképesség közötti függvényszerű kapcsolatok leírásánál a hiszterézis jelenséget is figyelembe veszi. Ezáltal becsülni lehetett a NAPL- és a gázzárványok kialakulását, illetve megszűnését.
1998-ban Whittaker és társai által kifejlesztett egydimenziós modell az ún. „multi – permeabilitási” elv alapján szimulálja a különböző mértékben repedezett felszín alatti földtani közegben, és a talajban lejátszódó többfázisú folyadékáramlást. A modellben együtt szerepel a három fázis (vizes fázis, NAPL fázis és gázfázis) áramlása, a vizes fázison belüli hidrodinamikai diszperzió, a különféle fáziskölcsönhatások és a biodegradáció.
Az előzőekben ismertetett komplex modellek azonban nem minden esetben a leghatékonyabb eszközei a gyakorlati problémák megoldásának. Nagy számítógép- kapacitás igényük, a futtatás nehézkessége, nagyszámú és sokrétű bemenő paraméter igényük, az eredmények interpretálásának bonyolultsága erősen korlátozza használhatóságukat. Az adatok esetleges hiánya számos leegyszerűsítést vagy becslést tesz szükségessé. Ezért az egyre egzaktabb és egyre speciálisabb esetekre megalkotott modellek fejlődésével párhuzamosan megjelentek és fejlődésnek indultak a lényegesen egyszerűbben kezelhető, úgynevezett „screening modellek”. Ezek a modellek egyfajta előzetes áttekintést adnak a kőolajszármazékokkal szennyezett területek állapotáról. A „screening modellek”
legelterjedtebb formái a kis számítógép-kapacitás igényű, rövid futásidejű ún. „éles folyadékfront” modellek (Reible et al., 1990; Weaver, 1991; Weaver et al., 1994b;
Charbeneau et al. 1988).
2.2. Talajok folyadékvezető- és légáteresztő-, valamint folyadékvisszatartó-képessége
A hazai és a külföldi gyakorlatban, valamint a különböző tudományterületeken (például talajtan, geotechnika, hidrogeológia, stb.) nem alakult ki egységes elnevezés a különböző fizikai, kémiai tulajdonságú folyadékokkal (például desztillált víz, olaj, stb.) részben vagy teljesen telített közeg adott fázisra vonatkozó vezetőképességének. Ezért jelen fejezetet az általunk használt vezetőképesség elnevezésével, illetve definiálásával kezdjük:
• Hidraulikus vezetőképesség (telítettségi vízvezető-képesség): vízzel telített talajmintán víz áramlik keresztül.
• Szerves folyadékvezető-képesség: szerves folyadékkal (olajjal) telített mintán szerves folyadék (olaj) halad át.
• Vízre vonatkozó relatív áteresztőképesség: szerves folyadékkal (olajjal) és vízzel telített mintán víz halad keresztül
• Szerves folyadékra (olajra) vonatkozó relatív áteresztőképesség: vízzel és szerves folyadékkal (olajjal) telített mintán szerves folyadék (olaj) halad keresztül.
• Légáteresztő-képesség: levegővel telített talajmintán levegő halad keresztül.
Kapilláris vezetőképesség: a rendszerben levegő, folyadék (víz) és szilárd alkotók vannak jelen, amelyen keresztül halad a vízfázis. A nemzetközi gyakorlat általánosan azt az esetet, amikor három fázis (szilárd fázis/víz/gázfázis) van jelen és a rendszeren víz áramlik át telítetlen hidraulikus vezetőképességnek nevezi. Ezt alapul véve bevezethető a telítetlen szerves folyadékvezető-képesség fogalma is, amikor is a szilárd fázis/szerves folyadék/gázfázis alkotta háromfázisú rendszeren szerves folyadék áramlik át. Továbbá definiálható a relatív áteresztőképesség fogalma vízre, szerves folyadékra és levegőre vonatkoztatva:
• Vízre vonatkozó telítetlen relatív áteresztőképesség: a rendszeren (szilárd fázis/szerves folyadék/víz/gázfázis) víz áramlik át.
• Szerves folyadékra (olajra) vonatkozó telítetlen relatív áteresztőképesség: a rendszeren (szilárd fázis-szerves folyadék/víz/gázfázis) szerves folyadék áramlik át
• Levegőre vonatkozó telítetlen relatív áteresztőképesség: a rendszeren (szilárd fázis/szerves folyadék/víz/gázfázis) levegő áramlik át.
Az előzőkben definiált telítetlen relatív áteresztőképességek esetében a rendszerben már négy fázis van egyidejűleg jelen.
2.2.1. Talajok vízvezető- és vízvisszatartó-képességének mérési és becslési módszerei
2.2.1.1. A vízvezető-képesség mérése és becslése
Mérés
A talajban a vízáramlás sebességét a nedvességpotenciál gradiens nagysága és a talaj vízvezető-képessége határozza meg. A vízvezető-képesség függvény a talajban lévő vízpotenciál vagy vízmennyiség függvényeként is felírható. A vízvezető-képesség a vízmennyiséggel (víztelítettség) növekedésével nő (Huszvai et al., 2004).
A hidraulikus vezetőképességet (a vízzel telített talajok vízvezető képességét) a talajok és az azokon átszivárgó folyadék tulajdonságai együttesen határozzák meg. A hidraulikus vezetőképességet jelentősen befolyásolja a talaj porozitás-viszonyai. Itt elsődlegesen nem az összporozitás, hanem a pórusok méret szerinti megoszlása és térbeli elrendeződése (differenciált porozitás) kap kiemelkedő szerepet (Garcia-Bengochea et al., 1979).
A talajok hidraulikus vezetőképességére hatással van a talajrészecskék méret szerinti megoszlása, különösképpen a kisebb méretű részecskék aránya (Benson et al., 1994).
Emellett a részecskék alakja és felszíne is meghatározó. Durvább felszínű részecske esetében, nagyobb a súrlódás a folyadékok áramlása folyamán és szabálytalanabb, megnyújtottabb részecskék esetében kanyargósabb a folyadékáramlás útvonala (Head, 1984).
A részecskék ásványi összetétele is döntő lehet a hidraulikus vezetőképesség szempontjából, különös tekintettel a nagy agyagásvány tartalmú talajokra. Homokos vagy kavicsos talajokban az ásványi összetétel hatása a vezetőképességre minimális (Head, 1984). Ezzel szemben hasonló víztelítettségű és agyagtartalmú, de különböző
agyagásvány-összetételű minták hidraulikus vezetőképessége jóval nagyobb és a hidraulikus vezetőképesség a következő sorrendben növekedett: szmektit (montmorillonit)
< attapulgit < illit < kaolinit (Mitchell, 1976).
Az átszivárgó folyadékok minőségét tekintve a folyadékok fajlagos tömegével egyenes, dinamikus viszkozitásával fordított arányosságot mutat a hidraulikus vezetőképesség (Kozeny, 1927) feltételezve, hogy a talaj ásványai és a folyadék közt fizikai és kémiai kölcsönhatás nem lép fel és az áramló folyadék nem változtatja meg kémiailag a porózus közeget. Mivel a talajokban a részecskeméret csökkenésével, a fajlagos felület növekedésével a szilárd fázis - folyadék fázis kölcsönhatások erősödnek, az arányosság a durvább fizikai féleségű talajokra jobban, az agyagfrakciót nagyobb mennyiségben tartalmazó talajokra kevésbé érvényes (Mitchell, 1976).
A talaj hidraulikus vezetőképességének mérése történhet a helyszínen (in situ), vagy pedig laboratóriumban bolygatott vagy bolygatatlan (eredeti szerkezetű) mintákon. A bolygatott vagy bolygatatlan (eredeti szerkezetű) minták hidraulikus vezetőképességének laboratóriumi meghatározására alapvetően két módszert használnak, az állandó (constant head) és a csökkenő (falling head) folyadéknyomás módszerét. A különféle tudományágakban (talajtan, geotechnika, hidrogeológia, stb.) a két módszer különböző technikai megoldásait alkalmazzák (Várallyay, 1973a; Head, 1984; Klute and Dirksen, 1986).
A nagy agyagtartalmú talajok, valamint hulladéklerakók agyag aljzatszigetelésének hidraulikus vezetőképesség vizsgálatakor rendszerint a folyadék relatív áteresztőképessége és a porozitás együttes mérésére van szükség. A laboratóriumi vizsgálatokat elsősorban permeabiméterekkel végezik, állandó vagy változó nyomás mellett. A permeabimétereket alapvetően két nagy csoportba sorolhatjuk: merev falú (hagyományos permeabiméter, átalakított ödométer, permeabiméterként használt tömörítő (Proctor) edény), illetve flexibilis falú (permeabiméterként használt triaxiális berendezés) (Tavenas et al., 1983;
Head, 1984; Boynton and Daniel, 1985; Szabó, 1991; Szabó, 1999).
A talajok kapilláris vezetőképességének mérése történhet (Buzás et al., 1993):
• Beszivárgásos és nyomáskamra módszerrel kis tenziótartományban (pF<3)
A mai napig elvétve fordulnak csak elő olyan helyszíni (például tension disk és mini disk infiltrométer) vagy laboratóriumi vizsgálatok, amelyek során a talajok közel telített vízvezető-képességét mérték volna, melynek oka elsődlegesen a mérés igen nehéz kivitelezhetőségében rejlik. Mind a hazai, mind a nemzetközi gyakorlatban legelterjedtebb az a módszer, mely szerint a hidraulikus vezetőképesség-mérés eredményéből számítják a talaj kapilláris vezetőképességét.
A talajokat szennyező vegyületek vándorlását és átalakulását vizsgáló környezetvédelmi kutatások során különféle helyszíni mérési módszereket alkalmaznak a hidraulikus vezető képesség meghatározására. Hazánkban, a talajtani gyakorlatban, legismertebb a fúrólyukmódszer (auger hole) és a piezométeres módszer (Várallyay, 1993). A helyszíni mérésekkel nyert adatok jellemzik legjobban a természetes körülményeket, ugyanakkor talajrétegek vizsgálatára, vagy egyéb összehasonlító vizsgálatokra a laboratóriumi módszerek alkalmasabbak.
Becslés
A vízvezető képesség függvény becsülhető a van Genuchten - Mualem módszer alapján a talaj víztartóképesség függvényéből, azonban alkalmazásához meg kell határozni a hidraulikus vezetőképesség értéket eredeti szerkezetű talajmintákon vagy mesterséges talajoszlopokon.
A Darcy-törvényből levezethető hidraulikus vezetőképesség a talajok és a talajokon átszivárgó folyadékok tulajdonságainak együttes függvénye. Elméletileg lehetséges a hidraulikus vezetőképesség két tényezőre történő felbontása, a talajok tényleges áteresztőképességére és a folyadékok cseppfolyósságára (Hillel, 1971). Ennek a két tényezőnek a hidraulikus vezetőképességre való hatását írja le többek között a széles körben használt Kozeny-Carman egyenlet (Kozeny, 1927; Carman, 1956).
A Kozeny-Carman egyenlet ideális porózus rendszereket feltételez (vagyis közel egyforma méretű pórusokat illetve, hogy az áramló folyadék és a porózus közeg között semmiféle fizikai-kémiai kölcsönhatás nem lép fel). A fentiekből következik, hogy az egyenlőség viszonylag jól alkalmazható durvább fizikai féleségű (homok) talajoknál, ám általában a
többi talajnál a kiindulási feltételek nem teljesülnek. Ennek oka lehet a talajok szilárd fázisának polidiszperz volta, illetve a talajok szerkezeti elemeinek kialakulása, aminek következményeként egyidejűleg különböző méretű pórusok találhatók a talajokban (Olsen, 1962; Hillel, 1971; Bear, 1979). A telített talajok szilárd és folyadék fázisa sem tekinthető állandónak. Az átszivárgó folyadék kölcsönhatásba lépve a szilárd fázissal jelentősen megváltoztathatja a pórusviszonyokat (Makó et al., 1995 b ).
Az 1980-as évektől hazánkban a talajok hidraulikus vezetőképesség (telítési vízvezető képességének) becslésére a Campbell (1985) által a talajmátrix vízvezető képességére kidolgozott pedotranszfer függvényt használják.
Rajkai (2004) és Huszvai et al. (2004) tapasztalatai szerint a Campbell-féle pedotranszfer függvény és a laboratóriumi mérési eredmények nagyságrendileg rendszerint megegyeznek. A Campbell-féle pedotranszfer függvény esetében a talaj szemcseösszetételéből, térfogattömegéből, és humusztartalmából kiindulva jól becsülhető a talajok hidraulikus vezetőképessége és a visszatartóképesség függvény értékei. Ezekből pedig a van-Genuchten – Mualem összefüggéssel megfelelően becsülhető a kapilláris vezető képesség (telítetlen vezető képesség) függvény.
A Cambell-féle pedotranszfer függvényen kívül számos szerző (Puckett et al., 1985;
Saxton et al., 1986; Jabro, 1992; Schaap, 1999, Wösten, 1999) dolgozott ki pedotranszfer függvényeket, melyek közös jellemzője, hogy valamennyinél a talaj hidraulikus vezetőképességének meghatározása valamely talajtulajdonságokból (mechanikai összetétel, összes porozitás, térfogattömeg, stb.) történik.
2.2.1.2. Vízvisszatartás mérése és becslése
Mérés
A talajok kapilláris vízvisszatartó képességét vizsgáló legrégibb módszerek az ún.
vízkapacitás vizsgálatok. A vizsgálatok folyamán laboratóriumi vagy szabadföldi körülmények között mérik a talajok által visszatartott víz mennyiségét.
Vageler (1932, in: Di Gléria et al., 1957) a talajok természetes vízvisszatartó képességét az általa minimális vízkapacitásnak nevezett, a vízlégszivattyú szívóerejével szemben visszatartott víz térfogatszázalékos mennyiségével jellemezte. Ballenegger és Di Gléria (1962) Vagelertől eltérően minimális vízkapacitáson a kvarchomokra helyezett, vízzel telített talajminta víztartó képességét, míg kapilláris vízkapacitáson a kapilláris úton telített talaj nedvességtartalmát érti. Az előzetesen telített talajok gravitációs vízvesztesége utáni nedvességtartalmat mérte Vér (1982) és ezzel jellemezte a talajok természetes körülmények közötti vízvisszatartó képességét.
Az úgynevezett higroszkópossági mérések során kapott eredmények által jól jellemezhető a magas tenziótartományok vízvisszatartása, melyeket azonban jelentős mértékben befolyásol a talajok sótartalmának hatása (Várallyay, 1973a).
Homokkal töltött üvegcsövekben Leverett (1941 in: Amyx et al., 1960) végzett kapilláris emelkedés vizsgálatokat, mely vizsgálatok hasznos információkat szolgáltattak a talajok kapilláris vízvisszatartására vonatkozóan. Leverett vizsgálta a folyadék magasság és a telítettség közötti összefüggéseket és megfigyelte a hiszterézis jelenségét. A kapilláris nyomást a folyadékemelkedés magasságától és a talaj és a folyadék jellemzőitől függő dimenzió nélküli értékként fejezte ki.
Az 1930-as évektől egyre inkább teret nyertek a talajnedvesség energiaállapotának vizsgálatára irányuló módszerek, melyek pontosabban és sokoldalúbban jellemzik a talajok pórusrendszerének vízvisszatartó-képességét. Különféle mérési eljárások ismeretesek, de általános jellemzőjük, hogy különböző kapilláris erők mellett (kapilláris nyomás, kapilláris szívóerő, kapilláris potenciál, tenzió, stb.) határozzák meg a talajok vízzel való telítettségét (Makó, 1995 a).
A talaj szívóerejét közvetlenül mérő különböző tenziométeres eljárások mind laboratóriumi, mind szabadföldi körülmények között használatosak a bekövetkező változások folyamatos nyomon követésére (Kirkham és Powers, 1972; Várallyay, 1974;
Marshall és Holmes, 1979; Rajkai, 1993).
Hazánkban, a talajfizikai gyakorlatban, a mátrixpotenciál meghatározására alacsonyabb tenziótartományban a porózuslap módszer, magasabb szívóerőnél a nyomásmembrános
módszer terjedt el (MSZ-08 0205-78) (Várallyay, 1973b; Rajkai, 1993). A pF 1,0-hez tartozó víztartalmat a Várallyay-féle homoklapos berendezésben durva homok, a pF 1,5 és pF 2 értékhez tartozót pedig finom homok töltet fölé helyezve mérik. A pF 2,3 és a pF 2,5 értékek mérésére a Várallyay-féle kaolinlapos berendezést, a pF 3,4, és a pF 4,2 értékek mérésére nyomásmembrános készülékeket alkalmaznak. Alacsonyabb szívóerő tartományban a mérési eredményeket jelentős mértékben befolyásolja a talaj szerkezete, így ebben a tartományban a méréseket bolygatatlan (eredeti szerkezetű) talajmintákon végzik. Magasabb szívóerő tartományban már nem játszik nagy szerepet a talajszerkezet (a vízvisszatartás elsősorban a felületeken lejátszódó adszorpciós jelenségekhez köthető), így elegendő bolygatott mintákon végezni a mérést.
Az egyéb kapilláris potenciál, nedvességtartalom összefüggéseket vizsgáló talajfizikai eljárásokat, mint például az elektromos ellenállásmérésen, illetve hőveszteség-érzékelésen alapuló módszereket nálunk elvétve használják (Buzás, 1993).
A talajok vízvisszatartásának meghatározására használhatók a porózus kerámialapos extraktorok. Az extraktorokban egyszerre több talajminta is elhelyezhető a porózus kerámialapon, mely levegőáteresztési küszöbértéke a víz/levegő rendszerre 1,0 és 5,0 bar.
Az extraktorokat különböző nyomású térben elhelyezve a belőlük kifolyó víz alapján meghatározható az előzőleg vízzel telített talajminták adott nyomáson visszatartott folyadéktartalma.
A talajok vízvisszatartásának meghatározásánál az elmúlt évtizedekben egyre inkább előtérbe került külföldön az úgynevezett tempe-cellák alkalmazása (Elzeftawy és Dempsey, 1977; Bayer et al., 2004, Sakaki és Illangasekare, 2006), melyek egy-egy talajmintával végzett mérésre alkalmasak. Előnyük, hogy segítségükkel könnyen meghatározható a talajok vízvisszatartó képesség görbéjének (pF-görbe) telítődési és leürülési szakasza is, így módunkban áll az úgynevezett vízvisszatartás hiszterézis jelenség kimérése az egyes talajmintákon. A folyadékvisszatartás és a folyadékvezetés egyidejű meghatározását teszik lehetővé az ún. „multi-step-outflow” (MSO) berendezések (Finsterle et al., 1998, Fujimaki és Inoue, 2003, O'Carroll et al., 2005). Hiányosságuk, hogy igen hosszadalmas és rendkívül költséges eljárások, ami sorozatvizsgálatokra való alkalmazhatóságukat napjainkban még kérdésessé teszi.
Becslés
Nielsen és Shaw (1958) a talaj pF 4,2-vel jellemzett holtvíztartalmának közelítő meghatározására egyszerű grafikus módszert dolgoztak ki, a hidrométeres eljárással meghatározott homok-, iszap-, és agyagfrakciók mennyisége alapján. A homokfrakcióval 1
% szinten szignifikánsan negatív kapcsolatot, az agyagfrakcióval nemlineáris pozitív korrelációt állapítottak meg. A holtvíz- és az iszaptartalom között nem tapasztaltak szignifikáns összefüggést.
Hét változós regresszió-elemzéssel vizsgálta Trzecki (1974) a Kacsinszkij szerinti mechanikai elemzés hat szemcseméretű frakciója (1-0,1; 0,1-0,05; 0,05-0,02; 0,02-0,006;
0,006-0,002; <0,002 mm), a talaj szervesanyag-tartalma, valamint a pF-görbe három pontja (pF 2,4; pF 3,0; pF 4,2) közötti összefüggéseket. Az általa megadott parciális regressziós paraméterek felhasználásával jó közelítéssel számíthatók ezek az összefüggések a talajok felszín közeli rétegeire.
Visser(1969) grafikus módszert dolgozott ki a pF-görbe pontjainak (pF 1,0; 2,0; 3,4; 6,0) közelítő meghatározására. Nomogrammjaival a talaj adszorpciós kapacitása és a pórustérfogat révén végezhetők becslések. Eredményeiben megfigyelhető, hogy a pF 1,0- nél mért folyadék-visszatartást elsősorban az összporozitás, míg a pF 6,0-nál mért visszatartást legnagyobb mértékben az adszorpciós kapacitás értéke határozza meg. A pF 1,0 és 6,0 közötti folyadék visszatartás értékeknél az összporozitás és az adszorpciós kapacitás különböző arányú összhatása érvényesül.
Dumitriu és Canarache 1971-ben az előbbiekhez hasonló, de más pF-értékek leolvasását (pF 1; pF 2; pF 3,4; pF 6,0) lehetővé tevő grafikus eljárást dolgoztak ki.
Magyarországon a pF-görbék matematikai leírása Várallyay et al. (1979) nevéhez fűződik.
A pF görbe alapján fontos vízgazdálkodási jellemzők határozhatók meg, mint például a háromfázisú rétegek kapilláris vezetőképessége.
Rajkai et al. (1981) kidolgozta a víztartóképesség-görbe értékeinek az egyszerűen mérhető talajtulajdonságoktól (szemcsefrakció-értékekből, térfogattömegből, szervesanyag- tartalomból) való becslését. A pontbecslés kidolgozását követően Rajkai (1983) vizsgálta,
hogy mely matematikai modellel lehet leírni legpontosabban a mért víztartóképesség értékeket és elemezte (Rajkai, 1988), hogy a víztartóképesség-görbe leírására alkalmas háromparaméteres hatványfüggvény paraméterértékei milyen összefüggésben állnak a talajtulajdonságokkal. Rajkai (1984) háromparaméteres hatványfüggvényt alkalmazva becsülte a talaj víztartóképesség függvényét (függvénybecslés). Ellenőrizte (Rajkai, 1987) az MTA TAKI 270 db talajmintát magába foglaló adatbázisán kidolgozott víztartóképesség becslő vagy pedotranszfer függvények becslési hibáját a tanakajdi talajfizikai Laboratóriumban mért 590 db talajmintát tartalmazó adatbázison. Megállapította, hogy a becslőfüggvényekkel a tanakajdi mintaanyagra is kielégítő pontosságú becslés adható.
Rajkai és Kabos (1999) úgynevezett szemilineáris eljárást vezetett be hazánkban a víztartóképesség görbebecslési eljárásának javítása érdekében. A Brutsaert - féle hatványfüggvény (Brutsaert, 1966) paramétereinek talajtulajdonságoktól való függését nyolc talajtulajdonság (szemcsefrakciók százalékos értékei a < 0,002 mm, 0,002 – 0,005 mm, 0,005 – 0,01 mm, 0,01 – 0,02 mm, 0,02 – 0,05 mm, 0,05 – 2,0 mm szemcseméret tartományokban, száraz térfogattömeg és szervesanyag-tartalom) alapján végzett lineáris regresszióval vizsgálták. Majd a lineáris regresszió egyenletek együtthatóit kezdő értékként szerepeltették az úgynevezett szemilineáris becslésben. A szemilineáris eljárás alkalmazásának eredménye az volt, hogy a lineáris regresszió egyenletek együtthatóinak változásából a talajtulajdonságok nemlineáris hatása kiolvasható. Rajkai et al. (1999) a víztartóképesség görbebecslés további javítása céljából a becslésbe egy mért víztartóképesség értéket, Rawls és Brakensiek (1989) javaslatára a pF 4,2 (hervadáspont) értéket is bevontak.
2.2.2. A talajok szerves folyadékvezető - és visszatartó - képességének mérési és becslési módszerei
2.2.2.1. A szerves folyadékvezetés mérése és becslése
Mérés
Szerves folyadékvezető - képesség mérést ismertető tanulmánnyal csak elvétve lehet találkozni a nemzetközi szakirodalomban. Halmemies et al. (2003) Finnországban
végeztek folyadékvezető-képesség méréseket benzinnel és dízelolajjal az állandó folyadéknyomás elvét alkalmazva. A gyakorlatban legelterjedtebb eljárás, az hogy a szerves folyadékvezető-képességet a hidraulikus vezetőképességből határozzák meg (Weaver et al., 1994a).
Hazánkban Makó (1995a, 1995b) folytatott a szerves folyadékvezető-képesség vizsgálatára irányuló kutatásokat. Különböző ásványi őrlemény- és talajmintákon, valamint ezekből előállított keveréksorozatok mintáin mérte a hidraulikus vezető- és szerves folyadékvezető - képességet desztillált vízzel, kerozinnal, gázolajjal és kőolajjal. Méréseit üveghengerekbe töltött mesterséges talajoszlopokon végezte a csökkenő víznyomás módszerével.
A szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképesség mérésekkel az 1990-es években kezdtek el foglalkozni a környezetbe nagy mennyiségben kikerült szénhidrogén szennyezések viselkedésének megismerése, illetve a hatékony kármentesítési eljárás kiválasztása céljából (Dane et al., 1998). A kísérletek különböző szemeloszlású homokból, valamint különböző agyagásványokat tartalmazó agyagokból összeállított rétegzett vagy rétegzetlen, mesterséges talajoszlopokon zajlottak. A Waddill és Parker (1997) az állandó folyadéknyomás, míg Miller et al. (2004) a csökkenő folyadéknyomás módszerét alkalmazva vizsgálták a talajok szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképességét.
A minták telítésére desztillált vizet és Soltrol elnevezésű szerves folyadékot alkalmaztak.
A Soltrol folyadék izoparaffin szénhidrogénekből áll, alacsony vízoldhatóságú és a vízzel kevésbé keveredő szerves folyadék. Oostrom et al. (2003) állandó folyadéknyomás módszerével végrehajtott kísérleteikben szerves folyadékként szén-tetrakloridot alkalmaztak.
A szerves folyadékra vonatkozó telítetlen relatív áteresztőképesség mérése igen bonyolult feladat. Napjainkban a telítetlen szerves folyadékvezető-képességet általában a talajok hidraulikus vezetőképességéből, illetve folyadéktelítettségből határozzák meg (Pope et al., 1999, Niemi, 2005, Fagerlund et al., 2006).
Becslés
A Kozeny-Carman egyenlet (Kozeny, 1927; Carman, 1956) alapján a hidraulikus vezetőképességből becsülhető a talajok folyadékvezető-képessége víztől eltérő
folyadékokra (például szerves folyadékokra), felhasználva a folyadékok sűrűség és viszkozitás értékeit (Weaver et al., 1994a,b).
A Kozeny-Carman egyenlet ideális porózus rendszereket feltételez (vagyis közel egyforma méretű pórusokat), illetve, hogy az áramló folyadék és a porózus közeg között semmiféle fizikai-kémiai kölcsönhatás nem lép fel.
Szerves folyadékvezető-képességre vonatkozó pedotranszfer függény (vagyis olyan függvény, amely a talajtulajdonságok alapján becsüli a szerves folyadékvezető-képességet) jelenlegi ismereteink szerint nem lelhető fel a nemzetközi szakirodalomban. Tudomásunk szerint hazánkban ilyen pedotranszfer függvények megalkotásával Makó (1995a, 1995b) kezdett el foglalkozni először. Lineáris és nem lineáris regresszióval vizsgálta különböző ásványi őrlemény- és talajmintákon a szerves folyadékvezető-képesség és két talajtulajdonság (százalékos agyag- és portartalom) közötti összefüggéseket.
A telítetlen talajok (a telítetlen zóna) esetében a szerves folyadékra vonatkozó relatív áteresztőképesség becslésének többféle módszere is ismert a nemzetközi gyakorlatban.
A környezeti kockázatbecslés és műszaki beavatkozás tervezéséhez számos numerikus szimulátort (Abriola and Pinder, 1985b; Kaluarachchi and Parker, 1989; Falta et al., 1992a, 1992b; Adenekan et al., 1993; Falta et al., 1995; White et al., 1995; Helmig, 1997) fejlesztettek ki a felszín alatt végbemenő többfázisú áramlás és szennyezőanyag-transzport modellezése érdekében. Ezek a numerikus szimulátorok különböző relatív áteresztőképesség- nyomás-telítettség (kr-P-S) modelleket használnak a modellezés folyamán.
A szimulátorokban Pc-S kapcsolatot a Brooks and Corey (1964) és van Genuchten (1980) által megalkotott függvények írják le. A szerzők által megalkotott P-S kapcsolatok kétfázisú áramlás esetére vonatkoznak. Ezt a P-S függvényt fejlesztette tovább Parker és munkatársaival (1987) háromfázisú áramlás leírására.
A modellek részben a kr-S kapcsolat leírásához a Burdine (1953) függvényt, másrészt pedig a Mualem (1976) függvényt használják.
A telítetlen talajrétegekben végbemenő szerves folyadék (például NAPL) áramlás esetében az alábbi négy jól ismert kr-S-P modellt használják (Fagerlund et al., 2006): Brooks- Corey-Burdine (BCB), Brooks-Corey-Mualem (BCM), van Genuchten-Mualem (VGM), van Genuchten-Burdine (VGB).
2.2.2.2. A szerves folyadékvisszatartás mérése és becslése
Mérés
A vízvisszatartás mérések fejlődésével párhuzamosan fejlődtek az egymással nem elegyedő folyadékokat tartalmazó talajokban a kapilláris nyomás-folyadéktelítettség kapcsolatot vizsgáló laboratóriumi módszerek is. A témának, illetve a vizsgálati módszerek fejlesztésének különös aktualitást ad, hogy világszerte egyre nagyobb problémát jelent az évekkel, évtizedekkel ezelőtt végrehajtott kármentesítések helyszínein, a külső, új szennyezőforrás hiányának ellenére is újból megjelenő nagy mennyiségű szénhidrogénszennyezés. Ennek a jelenségnek az oka az úgynevezett maradék szerves folyadéktelítettségben (olajtelítettségben) rejlik, mely az akkor hatékonynak vélt kármentesítés ellenére igen erősen a talajszemcsékhez kötődve visszamaradt a talajban.
Lenhard és Brooks (1985) homokból, löszből és különböző agyagásványokból (kaolinit, illit, Ca-montmorillonit) képzett keveréksorok kapilláris folyadék-visszatartását mérték porózuslap módszerrel a talaj - víz - levegő és talaj - szerves folyadék - levegő háromfázisú rendszerekben. A nedvesítő folyadékok desztillált víz és LNAPL (Soltrol elnevezésű szerves folyadék) volt. Azt tapasztalták, hogy a folyadékvisszatartás függvény kaolinit minta esetében a különböző folyadékoknál statisztikailag közel azonos görbét határoz meg.
Az illit és Ca-montmorillonit minták esetében azonban a különböző folyadékokkal végzett kísérlet eredményeként kapott folyadék-visszatartás görbék jelentős mértékben eltérnek egymástól. Ezt azzal magyarázták, hogy azok alacsony kapilláris nyomásnál is jelentős mértékben duzzadnak a minták. Az illeszkedési szög, a sűrűség és a folyadékok felületi feszültsége különbségei magyarázzák a kapilláris nyomás-telítettségben adódó eltéréseket.
Lenhard és Brooks (1985) a Su and Brooks (1975) által kifejlesztett visszatartás függvényt illesztették a mért kapilláris nyomás-telítettség adatokra. A függvény linearizálásnál a lineáris „multiple” regressziót alkalmazták a visszatartás paraméterek meghatározására.
