הסעה אנומלית ולא קונסרבטיבית של מומסים בתווך נקבובי רווי

1. הסעה אנומלית ולא קונסרבטיבית של מומסים בתווך נקבובי רווי שירה רובין ישי דרור, הרווי שר ובריאן ברקוביץ

2. הקדמה • ניטור וניבוי של איכות מי התהום הם בעלי חשיבות גלובלית מדרגה ראשונה • לרוב הסעת המומסים היא לא פיקיאנית (אנומלית) • מרבית המזהמים במי התהום נספחים לפאזה המוצקה תוך כדי הסעתם • מודלים של הסעת מומסים נספחים אינם לוקחים בחשבון את הרכיב האנומלי של ההסעה

3. הסעה פיקיאנית הסעה אנומלית CTRW ADE

4. 1 c/co 0 t0 Time 1 Piston flow, v  c/co Diffusion and dispersion 0  t0 Time t2 t1 1 c/co  t2  0 t1 Distance ADE: משוואת האדבקציה-דיספרסיה Advection Dispersion Equation = מהירות נוזל ממוצעת Dx = מקדם הדיספרסיה • הנחות: • Dx = מקדם הדיספרסיה מאפיין את התווך הנקבובי, ומתנהג כמו דיפוזיה => התפלגות נורמלית במרחב • תווך הומוגני X Freeze and Cherry 1979

5. עדויות ל"שגיאות סיסטמטיות" Scheidegger 1959: Cortis et al. 2004 Cortis and Berkowitz 2004

6. סיכום: הסעה נורמלית/אנומלית Scher et al. 1991 Levy and Berkowitz 2003

7. s’ s מודל הליכה רנדומלית RW, CTRW Random walk: = תהליך דיפוזיה עם קצב אחיד CTRW: הסתברות ליח' זמן של חלקיק להגיע לנק'sבזמן t הסתברות ליח' זמן לקפוץ מרחק s-s’בזמן t-t’ • הטרוגניות • תהליכים המשפיעים על ההסעה

8. GME CTRW משוואת ההסעה של מודל ה ADE f(t) טרנספורם לפלאס של

9. β=0.5 t1=1 t2=106 t2=102 Truncated power law (TPL) form of 0<β<2 t1<<t<<t2 התנהגות ע"פ חוק חזקה עבור התנהגות אקספוננציאלית עבור t>>t2 t1= זמן מהלך חציוני t2=זמן החיתוך β= פרמטר "אי הסדר" של חוק החזקה Cortis et al. 2004

10. 1 Without retardation c/co With retardation 0 a Distance b משוואת אדבקציה-דיספרסיה-ריאקציה RADE Roberts et al 1986 - - - - RADE Hatano and Hatano 1998 Cortis et al. 2006

11. ? שאלות המחקר • מהן האינטראקציות הדינמיות המשפיעות על ריכוז המזהם? • מהן התרומות היחסיות של הסעה לא פיקיאנית (הנגרמת בשל הטרוגניות) ושל תהליכי חילופי מסה (כגון ספיחה)? • כיצד ניתן להפריד בין מידת התרומה של שני התהליכים, ולכמת אותם?

12. cf cs גישת שתי הסקאלות • הסעה לא פיקיאנית נגרמת הן בשל הטרוגניות של התווך הנקבובי והן בשל תהליכי חילוף מסה • לרוב קשה להפריד בין שני התהליכים המתרחשים בסקאלות זמן שונות (ומאופיינים ע"י זמני מעבר של חלקיק וקצבי חילוף מסה) c=cf+cs

13. = קצב תפיסה Wi = קצב שחרור מודל שתי סקאלות cf c=cf+cs cs קירוב מסדר ראשון Berkowitz et al. 2008

14. c/c0 1-c/c0 a b t [s] t [s] S1 S2 P1 P2 התאמה לנתונים ניסיוניים: חרוזים מוצקים / נקבוביים שני קצבי זרימה: F1 = 9.33 cm3/s F2 = 16.3 cm3/s חרוזי זכוכית 2 mm חרוזי Ca-alginate 2 mm + pores Papathanasiou and Bijeljic (1998)

15. a b a b חרוזי זכוכית מלאים F1 ADE: v מדוד, D מותאם TPL: מותאם F2 ADE: ניבוי TPL: vψ,Dψ מאולצים, שאר הפרמטרים מותאמים

16. a b a b חרוזים נקבוביים F1 מותאם vψ,Dψ מאולצים F2

17. חקר פרמטרים: דינמיקות בסקאלות שונות חילוף מסה איטי נתונים שניתחנו F1 F2 W0=10-4 s-1 חילוף מסה מהיר W0=101 s-1 W0=10-2 s-1

18. ניסויי הסעה וספיחה שנעשו במסגרת המחקר • מדידות ספיחה ושחרור בניסויי batch וקולונות • בחינת האינטראקציות בין הסעה וספיחה של מומסים שונים בקרקע • הפרדת התהליכים ע"י פולס של מומס קונסרבטיבי ומומס שנספח • קצב הזרימה מבוקר ושולט במידת האנומליות • יכולת מדידה אנליטית של 3 סדרי גודל לפחות כדי לאפשר בחינה של זנב עקום הפריצה

19. תוצאות ניסיוניות ראשוניות • Tribromoneopentyl Alcohol (TBNPA) • ניקל תכונות קרקע מבית דגן pH 7.7 16.2% clay 6.3% silt 77.5% sand

20. batch 1. ניסויי TBNPA איזותרמות לא לינאריות Ni

21. 2. ניסויי הסעה בקולונה Teflon tubing 3-way ball valve fraction collector pump

22. עקומי פריצה של ברומיד

23. עקומי פריצה של מומסים נספחים TBNPA Ni

24. סיכום • ע"י מודל ה CTRW כימתנו באופן מדויק את ההתנהגות הדינמית במקרה של הסעה לא פיקיאנית באיזור המובילי, וכן במקרה שנוספים חילופי מסה. • חקר פרמטרים של מודל שתי הסקאלות מלמד לגבי אינטראקציות בין תהליכי הסעה הטרוגנית ותהליכי עיכוב מסה בסקאלות זמן שונות, לגבי מיקום וגודל זנב עקום הפריצה. • TBNPA וניקל נספחים על קרקע מבית דגן באופן לא לינארי. • תוצאות נסיוניות ראשונות מצביעות על הסעה לא פיקיאנית של נותב קונסרבטיבי במערכת המעבדה, ומעלות את הצורך בניתוח ע"י מודל שתי הסקאלות לשם כימות התרומות היחסיות לזנב עקום הפריצה של מומסים ספיחים.

25. תודה!