| Forside | | Indhold | | Forrige |

Bestemmelse af forureningskoncentrationen i mobilt porevand i den umættede zone

Bilag 1

Modelberegninger: fordampning og transport af TCE

• 1 Lysimeterforsøg med lav hydraulisk belastning
  • 1.1 Simple diffusionsberegninger
  • 1.2 Simuleringer med Hydrus-1D
• 2 Lysimeterforsøg med høj hydraulisk belastning
  • 2.1 Opmætning af lysimetrene
  • 2.2 Injicering med TCE (Millington-Quirck diffusion)
  • 2.3 Injicering med TCE (korrektion af diffusionskonstanter)
  • 2.4 Konklusion

Vi har udført modelberegninger for at kunne vurdere og simulere eksperimenternes forløb i lysimetrene, især med henblik på at vurdere gasdiffusionens betydning. TCE er specielt egnet til denne type modelberegninger, fordi TCE, under de gældende aerobe forhold, er så svagt nedbrydeligt, at man kan tillade sig at se bort fra nedbrydning.

Det var oprindeligt meningen, at stoftransporten i lysimetrene skulle simuleres med modellen MACRO, hvis principper og forudsætninger meget summarisk er beskrevet i ”Prøvetagning af porevand i mættet zone, Miljøstyrelsen 2000” /3/. Under lysimeterforsøgene med lav hydraulisk ledningsevne havde vi imidlertid meget stort stoftab, hvilket formentlig skyldtes fordampning.

I stedet er foretaget to typer af beregninger. Det første er simple fordampnings beregninger som er gennemført med udgangspunkt i simple diffusionsbetragtninger, som angivet i Miljøstyrelsens vejledning om oprydning på forurenede lokaliteter og tilhørende regneark JAGG /2, 8/.

Det anden metode er simulering med modellen HYDRUS-1D, en en-dimensional dynamisk transportmodel som simulerer både vand, gas og temperatur transport med variable randbetingelser /9/.

1 Lysimeterforsøg med lav hydraulisk belastning

1.1 Simple diffusionsberegninger

I den første metode beregnes fasefordelingen mellem jord, vand og poreluft med fugacitetsprincippet. Derefter beregnes fordampningsfluksen på basis af koncentrationsgradienten mellem forureningen i jorden og overfladen. De vigtigste parametre, der indgår i beregningerne, er stofspecifikke parametre såsom Henry´s konstanter, Koc og diffusionskonstanterne; se tabel 17. Jord- og lokalitets-specifikke parametre er jordens vandindhold, dybden til forureningen og volumenvægten.

Tabel 17 Parametre benyttet til beregning af simpelt diffusionstab af TCE fra lysimetre.

Miljøstyrelsen anvender beregningsmetoden statisk, dvs. at der beregnes en instantan fluks, som er basis for den videre risikovurdering. Vi har anvendt beregningsmetoden dynamisk, dvs. at fluksen er integreret over et vist tidsrum. Hefter udføres en massebalance, hvorved man kan beregne den mængde af TCE, der er fordampet, hvorefter fluksen beregnes igen, osv. Beregningsmetoden kan dog ikke tage højde for vertikal transport af TCE, og heller ikke for ændringer i vandindholdet, og dermed diffusionskonstanten, i lysimetret. Begge begrænsninger er problematiske i forbindelse med de udførte lysimeterforsøg. Derfor er der regnet med to scenarier, som repræsenterer to yder-situationer:

• I det første scenario er der regnet med en momentan opblandingsdybde på 0,9 m, hvilket er den størst mulige opblandingsdybde i lysimetret. Det antages således, at TCE har spredt sig over hele lysimetret umiddelbart efter forureningsinjicering (momentan spredning), hvorefter fordampning finder sted.
  
  Dette scenario simulerer den mindst mulige fordampning fra lysimetret. Den aktuelle fordampning vil være større, fordi hele forureningsmassen med TCE i starten befinder sig i den allerøverste del af lysimetret, hvorved diffusionsgradienten opad er meget højere end simuleret.
   
• I det andet scenario er der regnet med en meget opblandingsdybde på 0,3 m. Det vil sige, at det antages, at TCE momentant (til tidspunktet: t = 0) har spredt sig over en dybden 0.1-0.4 m, hvorfra efterfølgende fordampning finder sted.
  
  Det andet scenario overvurderer formentlig fordampningen fra sandlysimetret, men er formentlig mere realistisk for Røgen ler-lysimetret. I Røgen-ler, som i lysimetret befinder sig 40-100 cm under jordoverfladen, er vandindholdet meget højere end i Voldby-sandet, og derfor er gas-diffusionkonstanten meget lavere. Det antages, at der ikke er TCE transport nedenud af lysimeteret, da dette har været lukket indtil vandgennembrud. Vandgennembruddet fandt sted efter 100-175 timer i Røgen-leren, og efter ca. 912 timer (38 dage) i Voldby-sandet.

Resultatet af beregningerne af de to scenarier er vist på figur 20, hvor fordampning fra den momentane opblanding over 0,3 m er vist med stiplet kurve mens fordampningen fra momentan opblanding over 0,9 m er vist med den prikkede kurve.

Beregningerne viser, at den tid, som det tager for 99% af den initielle TCE-masse at fordampe, ligger på henholdsvis ca. 200 og ca. 1600 timer for de to ovennævnte scenarier. Med ovenstående betragtninger om, at de to scenarier repræsenterer to ydersituationer, vil modellen beskrive et aktuelt fordampningstab som ligger imellem de to beregnede scenarier, men selvfølgelig vil variationer i inputparametre (fordeling af volumenandele, indhold og fordeling af organisk indhold m.v.) have væsentlig betydning for beregningerne.

Figur 20 Afdampning af TCE fra lysimetre, simple diffusionsbetragtninger.

1.2 Simuleringer med Hydrus-1D

Mere realistiske fordampningsscenarier kan formentlig beregnes med modellen HYDRUS-1D. I denne model simuleres dynamisk vertikal diffusions-transport gennem et profil. Profilet bliver diskretiseret i 100 celler, for hvilke massebalance og fluksberegninger løses numerisk. Fasefordelingen i cellerne er beregnet ud fra fugacitetsprincippet. Vand og opløst stof transport beregnes med Richards ligning, og gas-diffusion beregnes med Fick´s lov. Der tages højde for, at ændringer i vandinholdet påvirker diffusionskonstanten. Parametre, som indgår i beregningerne, er dels hydrauliske parametre (fra tabel 1) og dels stofspecifikke egenskaber såsom Koc, Henry´s konstant og gasdiffusionskonstanten. I beregningerne med Hydrus-1D har vi anvendt de samme inputparametre, som i de simple diffusionsbetragtninger i afsnit 5.1.1. Desuden har vi anvendt en estimeret Kd værdi på 1000 for det kullag, som ligger lige ovenover den forurenede zone (i 8-10 cm's dybde).

Igen har vi regnet på to scenarier. I første scenarie simuleres TCE-transporten i lysimetret med Voldby-sand (fyldt med Voldby-sand fra 10-100 cm's dybde), i andet scenarie simuleres TCE-transporten i lysimetret med Røgen-ler, hvori der er pakket Voldby-sand fra 10-40 cm's dybde, og intakt Røgen-ler fra 40-100 cm's dybde. I begge tilfælde er der regnet med en momentan opblandingsdybde på 10 cm (10-20 cm dybde) umiddelbart efter TCE-injicering.

Hydrus 1D-simulering af TCE-transporten i Voldby-sand (for perioden 0-100 timer) er vist i figur 21. Som følge af TCE’s høje diffusionskoefficient i luft, og det store indhold af luftfyldte porer ved forsøgets start, ses en meget hurtig spredning af TCE over hele lysimeterdybden. Efter 10 timer har TCE spredt sig over hele dybdeintervallet, hvorefter TCE langsomt diffunderer opad, som følge den lave koncentrationsgradient.

Figur 21 Hydrus-1D simulering af TCE-transport i Voldby-sand.

Figur 22 Hydrus-1D simulering af TCE-transport i Røgen-ler.

Hydrus-1D simuleringen af TCE transporten i Røgen-leren (for tidsperioden 0-100 timer) er vist i figur 22. Figuren viser en meget hurtig transport gennem det øverste sandlag, hvorimod transporten i den underliggende Røgen-ler er meget langsom. Dette skyldes det høje vandindhold i Røgen-leren, hvilket medfører en drastisk lavere diffusion af TCE i poreluften. Transporten nedad gennem Røgen-leren er væsentligt et resultat af den langsomme vandtransport ned gennem lersøjlen. Simuleringen tager dog ikke højde for makroporetransport, som i virkeligheden har bidraget til udvaskning af TCE fra lysimetrene med Røgen-ler.

Resultatet af en beregning af massebalancen af TCE i jorden (intervallet 10-100 cm) vises på figur 22. Ved sammenligning med resultatet af de simple diffusionsberegninger (figur 20) kan det bemærkes, at det Hydrus-1D modellerede initielle koncentrationsfald er meget højere, hvorefter der følger en skarp overgang til et langsomt koncentrationsfald i lysimetret. Dette skyldes at plumen flytter sig nedad i denne modellering, som tager højde for vertikal transport af TCE i lysimetret. Beregningerne viser endvidere, at den tid som det tager for 99% af den initielle TCE-masse at fordampe ligger på henholdsvis ca. 40 timer for Voldby-sandet og mere end 200 timer for Røgen-leren.

Figur 23 Massebalanceberegninger (Hydrus-1D) for TCE i lysimetrene.

Med Hydrus-1D kan der laves grafiske fremstillinger af stofkoncentrationen i bestemte dybder. Figur 23 viser en simulering af TCE-koncentrationen i 90 cm’s dybde ved en randbetingelse på 3 mm vandoverskud om dagen.

For Voldby-sand viser figuren en relativt høj maksimum-koncentration umiddelbart efter forureningsinjicering, hvorefter der sker et brat fald i TCE-koncentrationen, indtil denne når en størrelse på ca. 0,1 mg TCE pr. l jordvolumen, hvorefter der kun sker et lille fald i koncentrationen. Dette skyldes initiel gastransport til bunden af lysimetret, fulgt af diffusionstransport af TCE opad i lysimetret. Vandgennembrud kom først efter 38 dage, hvor TCE-koncentrationen i 90 cm’s dybde simuleres omkring 0,1-0,2 mg TCE pr. l. jordvolumen, hvilket svarer til, at koncentrationen i udløbsvandet er mindre end 0,1 mg/l, og modellen forudsiger efterfølgende faldende koncentrationsniveauer. Dette svarer til hvad der blev observeret i Voldby2-lysimetret; se analyseresultaterne i tabel 12.

For Røgen-lerjord viser simuleringerne en lavere men dog langsomt stigende koncentration i bunden af lysimetret. Diffusionskonstanten i vand er for TCE på 0,025 cm²/time, og en diffusion med denne hastighed kan ikke forklare det hurtige gennembrud af TCE, som er observeret i lysimeter-eksperimentet. Det hurtige gennembrud skyldes formentlig heterogen transport som følge af damp/vandtransport gennem sprækker og ormegange i jorden. Hydrus-1D kan ikke simulere disse simultane processer. Ved at øge diffusionskonstanten i vand, kan modellen på en kunstig måde tage højde for hurtig damptransport i makroporer. På figur 23 er der vist en koncentrationskurve, som er beregnet med en diffusionskonstant på 1,5 cm²/time. Modellen forudsiger her et hurtigt forureningsgennembrud og et stigende koncentrationsniveau i 90 cm’s dybde. Dette spredningsmønster er i overensstemmelse med det observerede spredningsmønster i lysimeter-forsøget med lav hydraulisk belastning, men Hydrus-1D forudsiger koncentrationer under 0,1 mg/l, hvilket er langt under de målte koncentrationer (jf. tabel 10 var koncentrationerne målt i sugecellerne den 18/12 omkring 0,85 mg/l).

2 Lysimeterforsøg med høj hydraulisk belastning

For at få en ide om, hvordan de kommende lysimeterforsøg under høj hydraulisk belastning ville forløbe, har vi med Hydrus-1D simuleret TCE-koncentrationer. I simuleringerne bruges to profilsammensætninger:

1. 0-40 cm Tylstrup C materiale
   40-100 cm Røgen ler (Røgen scenario)
2. 0-40 cm Tylstrup C materiale
   40-100 cm Voldby sand (Voldby scenario)

For Tylstrup- og Voldby-sand bruges de jordfysiske parametre, som er præsenteret i tabel 1. For Røgen bruges parametrene fra tabel 1 ikke, fordi der på en enkel måde skal tages højde for makroporetransport. Derfor defineres Røgen som en jord med et porevolumen på 0.05%, mens den mættede hydrauliske ledningsevne sættes til 36 mm/time (1e-5 m/s), som er en gennemsnitsværdi for direkte målte værdier af tilsvarende jordtyper (Faardrup og Slæggerup, The Danish Pesticide Leaching Programme, site description, 2001; /14/).

2.1 Opmætning af lysimetrene

Det antages at Tylstrup sand pakkes tørt, hvorefter der simuleres (run 12 og 13) opmætning af lysimetre ved at vande tre gange med 50 mm nedbør: fra 0-2 timer, 24-26 timer, og 48-50 timer. Resultaterne af vandprofilerne ses i figur 24 (Røgen) og 25 (Voldby).

Det ses tydeligt af figur 24, at der opstår næsten vandmættede forhold i Tylstrup sand efter 72 timer. Den efterfølgende afdræning er lav, således at det gennemsnitlige luftfyldte porevolumen ligger på ca. 5%. Det samme gælder opmætning i Voldby lysimeter (figur 25), mens det er tydeligt, at der ikke sker den store stigning i vandindholdet i Voldby sand.

Figur 24 Opmætning af Røgen lysimeter. Trykpotentiale og vandindhold til tidspunkterne t = 0, 1, 24, 48, 72 og 148 timer.

Figur 25 Opmætning af Voldby lysimeter. Trykpotentiale og vandindhold til tiderne t=0, 1, 24, 48, 72 og 148 timer.

Figur 26 viser, at der kommer udstrømning i bunden af Røgen lysimetre efter ca. 48 timer. Der simuleres en total afstrømning på ca. 35 mm over et tidsrum på ca. 4-5 dage. Udstrømning fra Voldby lysimetre begynder tidligere, men den store vandmængde begynder at først løbe ud efter 48 timer. Der simuleres en total afstrømning på ca. 55 mm over et tidsrum på ca. 4 døgn.

Figur 26 Kumulativ udstrømning fra Røgen og Voldby lysimetre.

Som konklusion kan det bemærkes, at tre vandinger af 50 mm forventes at være tilstrækkeligt til at opnå gode startbetingelser for forureningsinjektion og udvaskningsforsøg.

2.2 Injicering med TCE (Millington-Quirck diffusion)

Under anvendelse af Millington-Quirk diffusion er der herefter gennemført simulering af en TCE forureningsinjicering i Røgen og Voldby lysimetrw, som er identiske med den første den aktuelle forureningsinjicering under forsøgene med lav hydraulisk belastning. Profilopbygning (materialefordeling og egenskaber) er identiske med simuleringerne i afsnit 5.2.1, så kun startbetingelserne er forskellige:

• Startvandindholdet er sat lig slutvandindholdet fra de ovenstående simuleringer af opmætningen.
   
• Der injiceres en koncentration på 0.15 mg/cm³ i laget fra 0.15-0.25 cm’s dybde (i alt 4368 mg) på tidspunktet t = 0.

Figur 27 Vandindhold, TCE-koncentration og kumulativ udstrømning i Røgen-lysimeter til tiderne t = 0, 1, 24, 48, 72 og 336 timer samt TCE-koncentrationerne i 25, 50, 75 og 90 cm’s dybde.

Profiler med angivelse af vandindhold og TCE-koncentrationsprofiler i Røgen lysimetre er vist på figur 27. Det ses, at de to vandinger kun giver relativt små ændringer i vandindholdet. Vandingerne giver direkte respons i udstrømningen, idet der er mere end 90 mm udstrømning i løbet af de første 2 døgn efter forureningsinjicering (og vanding). Spredning af TCE er meget mere afdæmpet i forhold til simuleringerne med lave startvandindhold (som vist i afsnit 5.1). Dette hænger sammen med det høje vandindhold i det øverste Tylstrup jordlag. Derfor er TCE koncentrationen i bunden også meget højere end ved tidligere simuleringer. De simulerede koncentrationer i 90 cm dybde er mere end 0.015 mg/cm3 (15.000 ug/l) indenfor et tidsrum på 100 timer efter forureningsinjicering. Det skal dog bemærkes, at denne simulering ikke tager højde for vertikal spredning af TCE inde i jordmatricen. Derfor er de simulerede data i figur 27 maksimums værdier.

Figur 28 viser, at også for et Voldby lysimeter giver de to vandinger relativt små ændringer i vandindholdet, pga. den tidligere opmætning. Efter vanding er der en meget direkte vandrespons i bunden af lysimeteret, og der simuleres 100 mm udstrømning allerede efter 48 timer. Spredning af TCE i lysimeteret er også mere afdæmpet i forhold til tidligere simulerede eksperimenter med lavere vandindhold (se afsnit 5.1). Den simulerede koncentration i 90 cm dybde er på et højt niveau: ca. 0.005 mg/cm3 (5000 ug/l) indenfor 72 timer efter forureningsinjektion. Da simuleringen heller ikke her tager højde for spredningen af TCE inde i jordmatricen, er også disse værdier maksimumsværdier.

Figur 28 Vandindhold, TCE-koncentration og kumulativ udstrømning i Voldby-lysimeter til tiderne t = 0, 1, 24,48,72 og 336 timer samt TCE-koncentrationerne i 25, 50, 75 og 90 cm’s dybde.

2.3 Injicering med TCE (korrektion af diffusionskonstanter)

Figur 29 TCE koncentrationsprofiler i Røgen lysimeter, til tiden t=0, 1, 24, 48, 72 og 336 timer (run 16). Desuden er der vist den simulerede TCE koncentration i 25, 50, 75 og 90 cm dybde over et 14 dages tidsforløb.

Det menes generelt, at diffusionkonstanten ved lavt luftfyldt porevolumen formentlig undervurderes med den brugte Millington-Quirck regression. Ved et volumetrisk luftfyldt porevolumen på 0.05 undervurderes diffusionskonstanten med ca. en faktor 20 (Per Møldrup, 2002 /15/). Derfor er beregningerne fra afsnit 5.2.2 gentaget med en 20 gange højere diffusionskonstant.

I stedet for 316.8 cm2/time (vejledning fra Miljøstyrelsen nr. 7) regnes der med en diffusionskonstant på 6.336 cm²/time. Resultater af simuleringerne er vist i figur 29 for Røgen ler og i figur 30 for Voldby sand.

Figur 30 TCE koncentrationsprofiler i Voldby lysimeter, til tiden t = 0, 1, 24, 48, 72 og 336 timer (run 17). Desuden er der vist den simulerede TCE koncentration i 25, 50, 75 og 90 cm dybde over et 14 dages tidsforløb.

En sammenligning af figur 29-30 med figur 27-28 viser, at en 20 gange højere diffusionskonstant ganske vist giver en hurtigere fordampning i toppen af lysimeteret, men til gengæld er de simulerede koncentrationer i bunden af kolonnerne på samme niveau (Røgen) eller endnu højere (Voldby). Dette skyldes hurtigere diffusion af TCE nedad gennem lysimeteret. Det skal dog bemærkes, at netop denne spredning nedad i Voldby formentlig overvurderes, fordi den kurve, som beskriver diffusionskonstanten er ”matchet” ved et luftfyldt porevolumen på 0.05 cm3/cm3. Der hvor det luftfyldte porevolumen er højere, er diffusionen i de to seneste simuleringer (figur 29 og 30) overvurderet.

2.4 Konklusion

Der blev gennemført simulering af TCE transport under følgende forudsætninger:

• Tør pakning af Tylstup sand fra 0-40 cm’s dybde ovenpå henholdsvis Voldby sand og Røgen ler.
• Opmætning af lysimetre ved tre gange 50 mm vanding, og afdræning i 4 døgn.
• Injicering af 4.368 mg TCE in dybde 15-25 cm på tidspunktet t = 0.
• To gange vanding med 50 mm på tidspunkterne t = 0-2 timer og t = 24-26 timer.

Den samlede konklusion fra simuleringerne er, at den planlagte kampagne med høj hydraulisk belastning vurderes at ville føre til meget højere koncentrationer af TCE i udløbsvandet, end der blev målt i lysimetereksperimenterne med lav hydraulisk belastning. Det simulerede koncentrationsniveau i 90 cm dybde og i udløbsvandet ligger langt over 1000 ug/l. Der er dog usikkerhed mht. til den mængde TCE, som vil diffundere ind i Røgen jordmatricen, og det korrekte diffusionstab ved lavt luftfyldt porevolumen. Det blev derfor besluttet, at der i de to tidligere forurenede lysimetre skulle injiceres samme mængde TCE som i de tidligere gennemførte lysimeterforsøg med lav hydraulisk belastning. I de to sidste lysimetre, skulle der injiceres 1/10 af den tidligere anvendte TCE-mængde.

| Forside | | Indhold | | Forrige | | Top |

Version 1.0 Marts 2008, © Miljøstyrelsen.