CURS 8

Generalitati privind modele de dispersie a efluentilor poluanti in mediulreceptor.Pentru evaluarea consecintelor unui accident soldat cu eliberarea in mediu de substante chimice (poluanti toxici, bio-contaminanti, compusi inflamabili) este necesar a se elabora un model de dispersie a acestoara in mediul fluid. Modelul de dispersie va fi ulterior cuplat cu modele de simulare a scenariilor de accident (escaladare proces, incendiu, explozie,) in vederea unei evaluari globale a riscului unei unitati industriale. Inainte de evaluarea consecintelor accidentului, este insa necesar a fi cunoscute conditiile in care acesta s-a produs (locatie, topologia imprejurimilor, conditii meteorologice), precum si normele in vigoare privind caracteristicile de calitate a mediului:- concentratii maxim admise poluanti in sol, apa, aer;- nivelurile de radiatie termica maxim admise;- nivelul de supra-presiune maxim admis.

Desi consecintele unui accident (chimic) major privesc o gama intreaga de receptori din mediu, atentia principala trebuie acordata receptorilor umani. In acest sens, sunt necesare a fi cunoscute apriori:- efectele toxice datorate inhalarii si expunerii la materiale toxice;- efectele radiatiei termice datorita expunerii la caldura generata de combustie sau materiale inflamabile;- efectele suprapresiunii datorate expunerii la unde de presiune (soc) generate de explozia materialelor explozive. Capitolul de fata isi propune sa prezinte succint cateva din modelele matematice de dispersie a poluantilor in mediu, pentru cazul unei surse de poluare definite, respectiv:- modele de dispersie a poluantilor in sol / ape subterane- modele de dispersie a poluantilor in rauri- modele de dispersie a poluantilor in lacuri- modele de dispersie a poluantilor in aerModelele de dispersie pot prezice, pentru o sursa de poluare data si in conditii de mediu / meteorologice cunoscute, distributia spatiala (3D) si temporala (4D) a concentratiilor de poluant din jurul sursei si pana la diluatia sa completa.

Modelele matematice ce redau evolutia unui poluant in mediu constau dintr-un set de ecuatii diferential-algebrice de bilant masic, termic si de moment. Mecanismele de transport considerate includ difuzia, convectia, si dispersia, regimul de curgere putand fi atat difuzional, cat si convectiv (laminar sau turbulent). In eventualitatea unor reactii (chimice sau biochimice) ale poluantului in mediul receptor, acestea trebuie incluse prin termeni sursa (pozitivi sau negativi) in ecuatiile de bilant.Structura acestor modele depinde de factorii fizici si de caracteristicile fiecarui mediu in parte. Astfel, in cazul evacuarilor in rauri, se tine seama de tipul curgerii si orientarea efluentului in raport cu directia de curgere, de topologia zonei de deversare si a raului, si alte caracteristici locale. In cazul deversarilor in zone marine se tine seama de influenta curentilor marini, a termoclimei si a vantului. In cazul emisiilor in atmosfera se tine seama de directia si intensitatea vantului si de gradientul termic pe verticala. In cazul poluarii solului si a apelor de adancime se tine seama de caracteristicile mediului poros al solului si de modul de patrundere al poluantului.Esential pentru calitatea unui model de dispersie este modul de includere in relatiile de bilant a caracteristicilor difuzive, a puterii dispersive si a capacitatii de dilutie a mediului receptor.Forta motrice care duce la raspandirea poluantului in jurul sursei (surselor) o constituie gradientii (masici si termici) precum si fortele de inertie ale mediului. Modelul reda evolutia spatiala a poluantului in mediul fluid, de la sursa pana la dispersia si diluatia sa completa, sub actiunea fortelor motrice. In zona de evacuare (emisie, descarcare), poluantul patrunde de regula printr-un jet, adica o masa de fluid careia ii este asociata o cantitate de miscare proprie (forte de inertie) si forte de impingere arhimedica (portanta) rezultata din diferenta de densitate a fluidelor din jet simediu receptor. Raportul celor doua tipuri de forte este dat de criteriul lui Froude:

Modelele matematice urmaresc, in principal, simularea urmatoarelor zone de evacuare a poluantilor in mediul fluid:- modele pentru zona de jet, respectiv zona de patrundere (descarcare) a poluantului in emisar (receptor); aceasta cuprinde zona de la punctul de descarcare in care energia proprie a efluentului descarcat (sub forma de jet) este preponderenta; dinamica efluentului este guvernata de fenomene de turbulenta, forte motrice convective, si portanta proprie;- modele pentru zona de racordare (de tranzitie), respectiv zona de diminuareprogresiva a energiei proprii a jetului de patrundere a poluantului, prin interactiunea sacu mediul; tranzitia se termina atunci cand viteza proprie a jetului nu mai poate fideosebita de fluctuatiile de viteza din curentul de fluid al mediului exterior.- modele pentru zona de dispersie, respectiv zona de dispersare si diluare completaa poluantului in mediul fluid receptor; efluentul poluant evolueaza numai sub actiuneadinamicii mediului fluid receptor.

Modele de dispersie a poluantilor in sol / ape subteraneDatorita productiei industriale intensive si agriculturii pe scara larga, apele de adancime pot fi poluate cu produsi chimici din industrie [compusi clorurati, incluzand PCB-uri (poli-clor bifenili), solventi, coloranti azoici, metale grele, compusi ai Ni, Hg, Pb, Cr, oxizi de U), si din agricultura (nitrati, pesticide, fertilizatori). In prezent, tehnologiile existente pentru remedierea solului si a apelor de adancime sunt costisitoare, dificil de aplicat si cu efect local. De exemplu, se considera ca mai mult de jumatate din apele de adancime din SUA sunt poluate in diverse grade, iar cheltuielile de depoluare ar putea dura cateva decenii si ar costa cateva sute de miliarde de dolari (Zhang, 2002-2004). Accidentele industriale cu emisii de substante chimice pot, petermen lung, afecta si apele de adancime prin difuzia contaminantilor in sol, daca nu se iau masuri imediate de preventie si remediere. Tehnologiile de depoluare ale apelor de adancime sunt inca in stadiu de cercetare, putin aplicate, iar problema remedierii eficiente a acviferului de adancime este inca nerezolvata. Exista mai multe propuneri in acest sens, cum ar fi:- pomparea apei de adancime, tratarea la suprafata, si reintegrarea ei in mediu (Zhang,2002-2004).- injectia de nanoparticule in suspesie apoasa la adancimi mari, generand procese catalitice de degradare a contaminantilor in straturi de adancime. Nanoparticulele active utilizate sunt cele pe baza de Fe si Pd (ce provoaca reducerea compusilor clorurati organici la cloruri; Zhang, 2002-2004), Pd (Elliott & Zhang, 2002); Ni sau Pt (Schrick et al., 2002).- escavarea zonei contaminate si insertia la adancime a unor bariere statice de particule de Fe depuse pe silicati porosi (nisipuri), cu rol reducator pentru compusii poluanti clorurati (Johnson et al., 1996; Tratnyek & Reinhard, 1995);- folosirea de agenti reducatori / filtranti in straturi acvifere de adancime (materiale pe baza de carbon, compusi cu sulf reducator, bacterii, James, 2002).

Poluarea panzei freatice si a apelor de adancime se poate face in mai multe feluri:infiltrare dintr-o apa de suprafata poluata (lac, rau, mare); scurgeri din conducte ingropate, bazine, rezervoare; antrenare de catre ploi a poluantilor solului si infiltrare in zonele de adancime (nitrati, pesticide, etc); infiltrare din depozite de deseuri.Mecanismul de transport al poluantului in sol este de regula vertical in zona nesaturata, iar in zona acviferului (saturata) este orizontal. Din punctul de vedere al modelelor matematice care pot simula dispersia poluantilor in soluri, acestea au diverse grade de complexitate in functie de ipotezele considerate si de gradul de detaliere al predictiilor. Astfel, daca se considera o sursa de poluare de dimensiuni mici, modelele de dispersie ale poluantului in spatiul tri-dimensional (3D) din jurul sursei, prezic campul de concentratie in sfere imaginare concentrice la sursa, astfel: modele 1D (care considera ca variabila doar marimea razei R de propagare de la sursa); modele 2D (ce considera ca variabile raza de propagare R si unghiul la centru in planul orizontal cu sursa); modele 3D (cu variabilele R, , si unghiul la centru in planul vertical cu sursa); modele 4D (dinamice, cu variabilele spatiale R, , , si variabila timp).Structura modelului MSC-E (Gusev et al., 2005). Se considera un poluant aflat in faza gazoasa (POP), provenit de la o emisie reziduala industriala, sau o emisie necontrolata ca urmare a unui accident industrial. Prin antrenarea sa de catre ploaie, acesta ajunge la suprafata solului si difuzeaza in toate cele trei faze ale acestuia (gazoasa, apoasa, solida). In plus, fiind antrenat de apa, poluantul migraza vertical catre acviferul de adancime printr-un mecanism difuzional siconvectiv. Pentru a determina concentratia totala de poluant in timp si la diverse adancimi cT ( t,z ), se porneste de la ipoteza repartitiei sale intre cele trei faze.

Se considera ca transferul intre faze ajunge rapid la echilibru, si doar transferul cu substantele organice potential accesibile din sol urmeaza o dinamica de tipul: dc( I )( t,z ) / dt = k[c( o ) c( I ) ] (in care: k= coeficientul de transfer masic; indicele (I)noteaza faza organica solida din sol la adancimea z, potential accesibila; indicele (o) noteaza faza organica solida din sol). Ecuatia de bilant masic diferential ce reda migratia poluantului pe verticala in sol este:

Notatiile folosite in model, precum si valorile utilizate intr-un studiu de caz (Snape etal., 1995) sunt redate in tabelul. Solul este considerat un amestec de nisip (s), argila (c), si materie organica (o).

Variabilele si parametrii modelului de dispersie orizontala a poluantilor in acfiver (dupa Snape et al., 1995).

Modele de dispersie a poluantilor in rauri Poluarea accidentala a raurilor este o problema de maxima importanta pentru societate si economie, cu impact pe termen scurt dar si lung asupra mediului. Apele industriale si municipale contin o gama larga de poluanti si contaminanti: compusi organici, compusi anorganici, micro-organisme, substante solide suspendate, etc. Incidenta lor este crescanda, datorita atat cresterii economice si gradului de industrializare si modernizare a societatii, cat si a perceptiei impactului negativ al anumitor categorii de poluanti. Sursele de poluare a apelor de suprafata, si in particular a raurilor, sunt diverse: i) poluanti de origine menajera (ape uzate din reteaua de canalizare a oraselor); ii) poluanti de origine industriala (provenite din procesele tehnologice ale unitatilor industriale); iii) poluanti de origine agricola (ape uzate rezultate din spalarea terenurilor tratate cu ingrasaminte chimice, ierbicide, pesticide, ape rezultate din procesele tehnologice ale complexurilor animaliere). Toate aceste ape, caracterizate prin parametrii de calitate (concentratii poluanti, proprietati fizico-chimice-biologice), inainte de a fi evacuate in apele de suprafata (fluid receptor denumit emisar), sunt tratatate corespunzator in vederea diminuarii si eliminarii compusilor poluanti si corectarii caracteristicilor de calitate.

Apele uzate industriale si menajere, ce prezinta o variatie mare de debit si compozitie, sunt tratate corespunzator in statii de tratare a apelor uzate (WWT), pana la atingerea unor conditii de calitate si parametrii corespunzatori normelor legislative in vigoare, si apoi deversate (evacuate) in ape de suprafata (mare, rauri, lacuri). Normele legislative impun limite maximale pentru indicii de calitate ai apei evacuate, respectiv concentratii maximale pentru poluanti, si anumite caracteristici fizico-chimice-biologice (pH, turbiditate, continut de micro-organisme, etc.). Din punctul de vedere al analizei de risc a unei unitati industriale, este important de simulat, prin modele corespunzatoare, cazurile in care o evacuare necontrolata de poluanti in apele industriale, si o proasta functionare (supra-incarcare) a statiei de tratare, duc la poluarea accidentala a raului(lac, mare) in care este deversata apa uzata. Scenariul de poluare accidentala a raului necesita determinarea, in functie de radul de poluare, a distributiei poluantului in lungul raului in aval de sursa de poluare (zona de control), a functiilor limita de stare (depasiri ale pragurilor admise) pentru poluanti, si a functiilor de risc in zona de control. Aceste calcule predictive se fac pe baza probabilitatii de aparitie a unui accident de o anumita amploare, si a modelelor de dispersie a poluantilor in rauri (scenarii ale consecintelor poluarii). Problema se rezolva pe baza modelelor matematice elaborate separat, pentru fiecare tip de receptor, incluzand caracteristicile poluantului si ale mediului.

Modele de dispersie a poluantilor. Evacuarea apelor uzate din statiile WWT in rauri se face printr-un difuzor de tipconducta sau canal de deversare. Difuzorul poate fi amplasat la mal sau submers pecursul raului, in apropierea statiei de tratare. Modelele matematice urmaresc, in principal, simularea pe sectiuni a zonelor de evacuare a poluantilor in rauri: modele pentru zona de jet, respectiv zona de patrundere (descarcare) a poluantului in emisar (receptor); modele pentru zona de racordare (de tranzitie), respectiv zona de diminuare progresiva a energiei proprii a jetului pana cand viteza proprie nu mai poate fi deosebita de fluctuatiile de viteza din curentul de fluid al raului; modele pentru zona de dispersie, respectiv zona de dispersare si diluare completa a poluantului in rau, sub actiunea dinamicii mediului fluid receptor. Alte moduri de poluare a raurilor, cum este poluarea difuza / non-point (prin ploi ce antreneaza poluantii din aer, prin antrenarea compusilor chimici utilizati in agricultura de catre ploi si apele freatice) nu sunt abordate in acest capitol, necesitand alte tipuri de modele de predictie (review Doyle, 1994).

Modele de dispersie a poluantilor in rauri, respectiv in regiuni din aval aflate la o anumita distanta de punctul de descarcare. Distanta poate fi mai mare sau mai mica in functie de tipul si caracteristicile evacuarii (in jet, pana, sau jet fortat), si a mediului receptor. In zona de dispersie, dilutia poluantilor se datoreaza urmatoarelor procese simultane: convectia poluantilor datoratamiscarii apei raului; difuzia turbulenta datorata gradientului de concentratie; degradarea(chimica, biologica) a poluantului datorita unor reactii din mediul receptor; acumulareapoluantului in mediul receptor stationar (sedimente). Dinamica fluidului in rauri este tridimensionala si puternic influentata de forma geometrica si caracteristicile de rugozitate ale albiei, iar aproximarea caracteristicilor de difuzie necesita introducerea unui model de turbulenta. Daca se adauga la acestea si procesele bio-chimice de degradare a poluantului, si eventualele procese de transfer termic intre jet si mediul fluid al raului, rezulta un model matematic complex ce reda in detaliu toate aceste aspecte. Acest model este insa foarte complicat, dificil de elaborat, si inoperant pentru simulari in timp real. Conditiile de curgere pot fi insa incluse si in modele matematice reduse, prin adoptarea unor ipoteze simplificatoare, cu un grad mai mare sau mai mic de aproximare a fenomenului real. Modelele astfel elaborate au un grad de simplificare a fenomenului ce depinde de: cantitatea de informatie disponibila privind tipul curgerii, caracteristicile mediului si poluantului; acuratetea dorita a predictiilor modelului (in conexiune cu efortul de elaborare a modelului si costurile desimulare a fenomenului); scopul pentru care este elaborat modelul (calcule predictiveaproximative; simulari avansate ale mecanismului procesului; modele hibride mecanistice si empirice).

In zona de dispersie a poluantilor in rauri, influenta cantitatii de miscare proprie jetului asupra campului de viteze din albia raului este neglijabila. Prin urmare, se poate considera cunoscuta distributia vitezelor medii in curgerea principala, modelul matematic simplificat fiind reprezentat practic numai de ecuatia de tarnsfer de masa (si eventual si cea de transfer termic). In acest caz, coeficientii de difuzie turbulenta sunt constanti, si corelabili (criterial) cu regimul de curgere si cu proprietatile mediului. Daca insa se doreste un model detaliat al transferului turbulent, acesta trebuie sa includa si ecuatiile de transfer de moment, solutionarea sa ducand la distributia de viteza, concentratie si temperatura in rau, in zona de dispersie. In practica, modelele dedispersie utilizate au gradul de complexitate corelat cu ipotezele simplificatoare adoptate si cu includerea sau omiterea unor termeni din ecuatiile de transport, astfel (Roman, 1980; Robescu et al., 2004; Whelan & McDonald, 1996), astfel: