Ecoterra, no. 28, 2011

119

SIMULAREA NUMERICĂ A DISPERSIEI POLUANŢILOR ÎN CURSURILE NATURALE

Cătălina Raluca MOCANU, Delia FODOR Universitatea Politehnica Bucureşti

Abstract: Numerical simulation of pollutant dispersion in natural streams. In the paper authors propose a suitable model for dispersion of accidental pollution in natural streams. This model is a necessary tool for predicting the evolution of pollutant in the aquatic medium and environmental impact assessment. In general, the largest shares of potential pollution sources in the case of punctiform discharges are units belonging to utilities sectors, chemical industries, life stock farms, agriculture fertilizers. In the paper authors will describe the mathematical model and the numerical simulation of pollution wave spatial evolution in Arges and Dambovita Rivers in different sectors.

Key words: dispersion, pollutants, numerical simulation. Introducere

Resursele de apă disponibile pe teritoriul României sunt puternic influenţate, atât cantitativ cât şi calitativ, de activităţile umane: pe de o parte prin prelevări apropiate de limita resurselor socio-economice (bazinul hidrografic Argeş), iar pe de altă parte, printr-o poluare pronunţată (râurile Tur, Lăpuş, Cavnic, Arieş, Târnava, Cibin, Dâmboviţa, Vaslui, Jijia).

Operatorii de servicii publice sau, după caz, deţinătorii staţiilor de epurare sau ai sistemelor de evacuare a apelor uzate în receptorii naturali, sunt obligaţi să asigure montarea şi funcţionarea corespunzătoare a mijloacelor de măsurare a debitelor de ape uzate evacuate, cu înregistrarea şi contorizarea debitelor, să prevadă facilităţi de prelevare a probelor de apă pentru analiză în locuri bine stabilite şi, pe cât posibil, să instaleze sisteme automate de determinare a calităţii apelor uzate evacuate, cu măsurarea parametrilor specifici activităţii desfăşurate. Pentru ape uzate cu debite mai mari de 500 l/s şi care se descarcă în receptori cu debite de cel puţin trei ori mai mari decât cele ale apelor uzate, în punctul de evacuare se prevăd sisteme de dispersie/difuzie.

În general, cota cea mai mare din potenţialul de poluare, în cazul surselor de poluare punctiforme, aparţine unităţilor din domeniile gospodăriei comunale, industriei chimice şi zootehniei. Urmează, apoi, agenţii economici din industriile extractivă şi metalurgică. Poluarea difuză, mai greu de evidenţiat, este reprezentată în special de poluarea din agricultură şi de poluările cauzate de consumul de produse/materii prime în industrie (industria extractivă).

Dispersia este fenomenul prin care o cantitate a unei mărimi date se schimbă şi omogenizează printr-un domeniu [1]. Dispersia este un termen general prin care se înţeleg diverse procese de amestecare, omogenizare autoinduse care apar la curgerea fluidelor polifazate. Ea poate avea un caracter conservativ dacă fazele sunt nemiscibile şi inerte chimic (de ex. nisip împrăştiat în apă) sau neconservativ dacă apare însoţită de difuzie [2]. În procesele de dispersie turbulenţa mediului fluid, cu caracteristica ei principală de amestecare, are un rol deosebit de important. Dispersia are ca rol final amestecarea fluidelor polifazate şi ea se încheie acolo unde se uniformizează concentraţia poluantului, iar în secţiunea transversală de curgere mişcarea este permanentă hidraulic şi staţionară chimic [3].

Se va urmări evoluţia spaţială – în tridimensional – a undei de poluare în râurile Argeş şi Dâmboviţa pe diferite sectoare de curgere, în care curgerea se dezvoltă pe toate cele 3 axe de coordonate.

Datorită progresului tehnologic şi ştiinţific este posibil practic să se modeleze şi simuleze orice problemă de dispersie a poluanţilor în mediul apos. Aceasta deoarece, pe de o parte a crescut enorm capacitatea de calcul a sistemelor informatice, iar pe de alta datorită dezvoltării metodelor numerice de integrare a ecuaţiilor cu derivate parţiale [4].

Deversarea materiilor periculoase în mediul înconjurător, datorate în special accidentelor tehnologice, sunt din ce în ce mai frecvente datorită utilizării produselor sintetice în detrimentul

Ecoterra, no. 28, 2011

120

celor naturale, care pot fi toxice sau poluante (produse alcaline sau acide, produse de înălbire, adjutanţi sintetici, produse de hârtie şi carton, pesticide, produse alimentare etc.).

Pe măsură ce poluantul este deversat în natură şi în special în cursurile de apă, acesta este supus unor fenomene fizice şi chimice, care condiţionează evoluţia sa în mediul acvatic.

Simularea numerică a dispersiei poluanţilor în receptorii naturali Argeş şi Dâmboviţa

În acest subcapitol se va simula numeric fenomenul de dispersie a poluanţilor în receptorii naturali Argeş şi Dâmboviţa (fig. 1). Această operaţie este necesară pentru determinarea impactului asupra mediului a unei deversări accidentale sau intenţionate de poluant.

Fig. 1. Harta fizică ce stă la baza domeniului de simulare.

Simularea numerică a dispersiei poluanţilor pe râul Argeş Sursă de poluare de suprafaţă

Primul caz considerat este simularea numerică a dispersiei unui poluant deversat din două puncte aflate la suprafaţă. S-au făcut următoarele consideraţii:

- apa este considerată fluid continuu; - presiunea de referinţă 1atm; - s-a introdus o variabilă adiţională concentraţie poluant. În domeniul considerat variabila

adiţională se va supune ecuaţiilor de transport şi dispersie; - temperatura fluidului 25oC; - se consideră modelul de turbulenţă k; - viteza de curgere a apei 5m/s; - concentraţia de poluant introdusă 1 kg/m3 = 1000mg/l; - se consideră cazul curgerii în regim de turbulenţă medie. În figura 2 se prezintă deversarea unui poluant la suprafaţă în două puncte. Se poate observa

câmpul îndepărtat de amestec în care se omogenizează concentraţia apei din râu cu cea a poluantului. De asemenea, se mai poate observa că în cel de al doilea punct de poluare încă este prezentă. După cel de al doilea punct de deversare concentraţia de poluant este mai mare şi persistă pe o distanţă importantă. Totodată se remarcă apariţia fenomenului de adeziune la malul pe care se face deversarea – efectul de mal.

Ecoterra, no. 28, 2011

121

Fig. 2. Repartiţia concentraţiei de poluant pe sectorul de râu considerat.

În figura 3a) se observă apariţia efectului de mal, iar în figura 3b) se observă apariţia turbionului de amestecare.

a)

b)

Fig. 3. Prima zonă de deversare – la suprafaţa liberă.

Ecoterra, no. 28, 2011

122

În figura 4 se observă cum concentraţia poluantului scade pe adâncime.

a)

b)

Fig. 4. Prima zonă de deversare – în adâncime.

În figura 5 se prezintă în detaliu punctul doi de deversare a poluantului. Această configuraţie a râului pune în evidenţă zonele cu apă moartă din coturi. În figura 6 se prezintă evoluţia poluantului pe adâncime în două secţiuni diferite. Se observă scăderea concentraţiei.

Fig. 5 A doua zonă de deversare – la suprafaţa liberă.

Ecoterra, no. 28, 2011

123

a)

b) Fig. 6. A doua zonă de deversare – în adâncime.

Sursă de poluare de adâncime Se poate observa faptul că în cazul deversării de adâncime concentraţia poluantului este aproape constantă în cele trei secţiuni (fig. 7) De asemenea, poluarea persistă pe a lungime însemnată.

a)

b)

c)

Fig. 7 Detaliu asupra domeniului de deversare a repartiţiei concentraţiei de poluant pe: a) planul de fund, b) planul de deversare, c) planul suprafeţei libere.

Ecoterra, no. 28, 2011

124

Simularea numerică a dispersiei poluanţilor în zona de vărsare a râului Dâmboviţa în Argeş S-au realizat două cazuri de simulare de suprafaţă, în care diferă cantitatea de poluant

deversată. În ambele cazuri s-au făcut următoarele consideraţii: - apa este considerată fluid continuu; - presiunea de referinţă 1atm; - s-a introdus o variabilă adiţională concentraţie poluant. În domeniul considerat variabila

adiţională se va supune ecuaţiilor de transport; - temperatura fluidului 25oC; - se consideră modelul de turbulenţă k; - viteza de curgere a apei în Dîmboviţa 1m/s, în Argeş 2m/s; - concentraţia de poluant introdusă 1 kg/m3 şi 4 kg/m3 (fig. 8 şi 9); - se consideră turbulenţă medie.

Fig. 8. Repartiţia concentraţiei a poluantului deversat (Cp = 1 kg/m3)

pe Dâmboviţa - planul de deversare.

Fig. 9. Repartiţia concentraţiei a poluantului deversat (Cp = 4 kg/m3)

pe Dâmboviţa - planul de deversare.

Ecoterra, no. 28, 2011

125

Se poate observa faptul că concentraţia de poluant este mai persistentă pe adâncime în cazul unei deversări mai accentuate. La confluenţa dintre Dâmboviţa şi Argeş concentraţia de poluant este dispersată în totalitate. Acest fapt se datorează, în special, Argeşului care are o viteză mai mare de curgere.

Concluzii

Modelele elaborate permit estimarea distanţei pe care râul va fi poluat la deversarea de substanţe poluante şi evaluarea gradului de poluare al râului pe tronsonul afectat de undă. Practic este posibilă urmărirea în timp şi spaţiu a concentraţiei poluanţilor. Oferă posibilitatea avertizării asupra efectelor pe care le pot avea deversările de poluanţi în receptorii naturali, în funcţie de cantitatea de substanţe deversate, coordonatele sursei de poluare, precipitaţii şi temperatura mediului ambiant.

Prin trasarea geometriei domeniului de curgere a râului pe zona de studiu se poate elabora un model matematic. Se simulează dispersia poluantului, la diferite concentraţii (1 kg/m3, 4 kg/m3) şi diverse viteze de curgere prin operarea programului ANSYS la care se formulează ipotezele de calcul adecvate.

În urma simulărilor numerice realizate cu solverul ANSYS CFX se poate observa dispersia în proporţie de 80% a concentraţiei poluantului pe o distanţă de 1,5 până la 2 kilometri, aceasta datorându-se şi capacităţii de autoepurare a râului Argeş.

Modelele de faţă pot reprezenta un instrument util de evaluare a poluării sau de prezicere a poluării, pentru a putea fi realizat managementul situaţiilor ce apar.

Mulţumiri Rezultatele prezentate în acest articol au fost obţinute cu sprijinul Ministerului Muncii, Familiei şi Protecţiei Sociale prin Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013, Contract nr. POSDRU/89/1.5/S/62557.

Bibliografie 1. Atkinson T. C., Davis P. M., 2000 - Longitudinal dispersion in natural channels: 1. Experimental results from the River Severn, UK Hydrology and earth system sciences, 4(3):345-353 2. Bates P., Horritt M., Hervouet J.-M., 1998 - Investigating two-dimensional, finite element predictions of floodplain using fractal generated topography. Hydrol. Process., 12:1257-1277 3. Beltaos S., 1980 - Longitudinal dispersion in rivers, Journal of hydraulic engineering, 106:151-172 4. Hart D., Mulholland P., 1999 - Relationships between hydraulic parameters in a small stream under varying flow and seasonal conditions, Hydrol. Process., 13(10):1497-1510 Date de contact Cătălina Raluca MOCANU: Universitatea Politehnica Bucureşti, Spl. Independenţei nr. 313, sector 6, Bucureşti, e-mail: mocanu_catalinaraluca@yahoo.co.uk Delia FODOR: Universitatea Politehnica Bucureşti, Spl. Independenţei nr. 313, sector 6, Bucureşti, e-mail: deliacarmen@yahoo.com

Ecoterra, no. 28, 2011

126