- deprese
- zóna stagnace
- tailing
Deprese
Prvotním projevem odčerpávání podzemní vody ze sanačního vrtu je vznik tzv. deprese, tedy zakřivení původně rovné hladiny podzemní vody v blízkosti vrtu. Schematicky je deprese ukázána na Obr. 8.2.7. Na tomto schematu je ukázána jedna důležitá skutečnost související s dosahem vrtu a následně se vznikem tzv. zóny stagnace. Pokud na Obr. 8.2.7 proudí podzemní voda zleva doprava, potom do vyznačeného čerpacího vrtu může být (velmi zjednodušeně řečeno) transportována libovolná část objemu podzemní vody nacházející se nalevo od vrtu (proti směru proudění). Z prostoru nacházejícího se napravo od vrtu (po proudu) může ovšem do vrtu vstoupit pouze malá část podzemní vody, v zásadě pouze ta část, která leží uvnitř pravé části depresního kužele. V této souvislosti se tedy hovoří o tzv. omezeném dosahu vrtu.
Zóna stagnace
Existence omezeného dosahu vrtu ve směru proudění podzemní vody předznačuje správné rozmístění sanačních vrtů v prostoru kontaminačního mraku, a to v souvislosti se vznikem tzv. zóny stagnace. Instalujeme-li napříč proudění podzemní vody jeden či více čerpacích vrtů a čerpáme-li dostatečně velkou rychlostí, potom tyto vrty odvedou veškerou přicházející podzemní vodu a v prostoru pod těmito vrty se proudění podzemní vody omezí nebo prakticky zastaví. Prostor, ve kterém dochází k zastavení transportu podzemní vody je označováno jako zóna stagnace. Nachází-li se v zóně stagnace kontaminant, zastavuje se za těchto podmínek i jeho odvádění na povrch. Pokud jsou tedy čerpací vrty vyhloubeny uvnitř hranic kontaminačního mraku, nebude ta část kontaminačního mraku ležící uvnitř stagnační zóny účinně odstraněna, protože kontaminující látky jsou transportovány pouze z oblasti, v níž dochází k advektivnímu proudění podzemní vody. V případě stagnační zóny je jediných dekontaminačním mechanismem difúze, jejíž průběh je mimořádně pomalý. Instalaci čerpacích vrtů je tedy nutné provádět tak, aby zóna stagnace ležela již mimo prostor kontaminačního mraku. (Viz Obr 8.2.2).
Obr. 8.2.7: Vznik deprese při čerpání podzemní vody ze sanačního vrtu
Tailing-efekt, Rebound-efekt
Při aplikaci techniky sanačního čerpání je běžně pozorován tzv. tailing-efekt a rebound-efekt. Oba tyto efekty mohou ovlivnit průběh odčerpávání a následného zpracování podzemní vody obsahující málo rozpustný kontaminant. Termín tailing-efekt vyjadřuje pomalý, téměř asymptotický pokles koncentrace kontaminantu v podzemní vodě pohybující se kontaminovaným horninovým materiálem. Termín rebound-efekt se potom týká poměrně rychlého zvýšení koncentrace kontaminantu v podzemní vodě následně po přerušení čerpání.
Tailing-efekt ve svém důsledku vede ke dvěma zásadním komplikacím procesu sanačního čerpání - delší době potřebné k sanaci a nárůstu zbytkové koncentrace kontaminantu nad sanační limit. Bez působení tailing-efektu by kontaminující látky mohly teoreticky být odstraněny odčerpáním takového objemu vody, který odpovídá původní velikosti kontaminačního mraku. Tailing-efekt ovšem výrazně prodlužuje dobu, po kterou musí být čerpací systém provozován, aby byly dosaženy požadované limity. Při podcenění tohoto jevu se potom často ukáže, že skutečná doba potřebná k řádnému ukončení sanace se může pohybovat v desítkách nebo stovkách let. Skutečnost, že koncentrace kontaminantu poklesla pod sanační limit nemusí tedy při výskytu tailing-efektu ještě znamenat pokles trvalý, neboť v důsledku dále diskutovaných faktorů se může koncentrace kontaminantu (například při změně čerpacího režimu) opět zvýšit nad sanační limit. Míra vlivu tailing-efektu na vlastní sanační zásah bude obecně záviset na fyzikálních a chemických charakteristikách odstraňovaného kontaminantu, vlastnostech podzemní vody a zeminy. Pro podrobnější vysvětlení tailing-efektu je potom zapotřebí diskutovat zejména následující faktory: vzájemný kontakt nerozpustného (přesněji málo rozpustného) kapalného kontaminantu s podzemní vodou, desorpce kontaminantu, rozpouštění vysráženého kontaminantu, difúze v horninovém materiálu, změna rychlosti proudění podzemní vody
a) kontakt nerozpustného kapalného kontaminantu s podzemní vodou
Nerozpustné kapalné kontaminanty (lehčí než voda - LNAPL, těžší než voda - DNAPL) vykazují i přes svůj název často dost velkou rozpustnost ve vodě, aby mohly způsobit kontaminaci přesahující přípustné limity. Pokud tedy v kontaminovaném prostoru zůstávají po odstranění volného produktu malá množství nerozpustných kapalných kontaminantů, potom tato malá množství mohou ještě značně dlouhou dobu kontaminovat podzemní vodu. Pokud se podzemní voda pohybuje pomalu, může se koncentrace kontaminantu přiblížit rovnovážné (teoreticky maximální) hodnotě. Při odčerpávání podzemní vody ze sanačního vrtu se obecně zvyšuje rychlost proudění podzemní vody v horninovém materiálu v okolí vrtu, což vede k poklesu koncentrace kontaminantu (v důsledku kratší doby kontaktu volného produktu s podzemní vodou). Je-li čerpání zastaveno a rychlost podzemní vody se opět sníží, dochází ke zvýšení koncentrace kontaminantu, jak je ukázáno na Obr. 8.2.4. V tomto ohledu je důležité upozornit na rozdíl v chování nerozpustného kapalného kontaminantu lehčího (LNAPL) a těžšího (DNAPL) než voda, které se kromě jiného odlišují plochou povrchu, která je ve styku s proudící podzemní vodou. Je-li volný produkt (například ropný uhlovodík) lehčí než voda, potom je jeho výskyt v saturované zóně v zásadě omezen na prostor v okolí hladiny podzemní vody. Hlubší vrstvy podzemní vody tak mají menší šanci dostat se do kontaktu s tímto volným produktem. Pronikne-li ovšem do horninového materiálu volný produkt těžší než voda (například chlorovaný uhlovodík), potom dochází k jeho pronikání saturovanou zónou a k jeho zakoncentrování na nepropustném podloží. Při průchodu saturovanou zónou se ovšem určitá část volného produktu zachytává v horninovém materiálu a představuje tak pomalu se rozpouštějící zdroj kontaminace podzemní vody. Procházející DNAPL se ovšem může v horninovém materiálu zachytit řadou mechanismů - sorpcí, zachycením v pórech nebo v puklinách, atd.. Je zřejmé, že v tomto případě může být volným produktem více či méně nasycena celá nesaturovaná zóna a nikoli již jen omezený prostor kolem hladiny podzemní vody (viz Obr. 8.2.8). Různý mechanismus zachycení volného produktu v horninovém prostředí potom také předznačuje jeho různou schopnost rozpouštět se v podzemní vodě. Je zřejmé, že pevně zachycené a podzemní vodě málo přístupné frakce volného produktu mohou při zastavení čerpání pomalu uvolňovat kontaminant do podzemní vody a zvyšovat tak jeho koncentraci. Zásadním rozdíl v chování LNAPL a DNAPL je tedy dán skutečností, že DNAPL zpravidla kontaminuje větší část saturované zóny a tato kontaminace je hůře odstranitelná. Tailing effect se tedy v tomto případě uplatňuje daleko více než v případě LNAPL.
b) Desorpce kontaminantu a rozpouštění vysráženého kontaminantu
Transport naprosté většiny kontaminantů v podzemní vodě je zpomalován sorpčními procesy, při kterých dochází k jejich zachycení na povrchu částic horninového materiálu. Množství nasorbovaného kontaminantu závisí zejména na jeho koncentraci v podzemní vodě a na sorpční kapacitě zeminy (horninového materiálu). Z pevných složek zeminy vykazují nejvyšší sorpční kapacitu přítomná organická hmota a oxidické materiály. Sorpce kontaminantů na pevných složkách zeminy je ovšem reversibilním procesem. Je-li tedy koncentrace kontaminantu v podzemní vodě snížena v důsledku jejího odčerpávání, původně nasorbované kontaminanty se uvolňují zpět do podzemní vody. Konečný důsledek je obdobný jako v případě pozvolného rozpouštění zbytkového volného produktu - snížení koncentrace kontaminantu v podzemní vodě je následováno návratem na skoro původní nebo původní úroveň. Je-li sorpční kapacita zeminy velká (například při vysokém obsahu organického uhlíku), potom se tato vyrovnávací tendence může projevovat velmi dlouhou dobu. Vliv rychlosti podzemní vody je obdobný jako u volného produktu. Obdobně jako u sorpčních dějů, jsou reversibilní také srážecí procesy, které jsou důležité zejména při transportu anorganických kontaminantů. Přesáhne-li koncentrace málo rozpustného kontaminantu jeho součin rozpustnosti, dochází ke vzniku sraženiny, která se při poklesu koncentrace v podzemní vodě opět rozpouští. Ve srovnání s jednoduššími systémy (čistý roztok neobsahující pevnou fázi, sorpce na dobře definovaném sorbentu, atd.) neexistuje v případě kontaminované zeminy tak ostrý rozdíl mezi sorpcí a srážením, neboť ve dvoufázovém systému (zemina-podzemní voda) tyto dva procesy často plynule přecházejí jeden ve druhý.
Obr. 8.2.8: Rozdíl v míře průniku LNAPL (např. ropných produktů) a DNAPL (např. chlorovaných rozpouštědel) do saturované zóny (vyznačen rozptyl DNAPL na čočkách izolátoru)
d) Difúze v horninovém materiálu
Při advektivním transportu kontaminantů propustnější částí heterogenního horninového prostředí způsobuje koncentrační gradient (při vyšší koncentraci v podzemní vodě) difúzi kontaminantů do méně propustných částí tohoto prostředí. K této difúzi do méně propustných části dochází zejména v případě rozpustných kontaminantů, které nejsou silně sorbovány na zemině, například u anorganických aniontů. V průběhu sanačního čerpání se koncentrace kontaminantu v propustnějších částech v důsledku promývání podzemní vodou snižuje a na rozhraní nepropustných a propustných částí dochází k obrácení koncentračního gradientu a tím i opačnému difúznímu toku. Praktický význam má v tomto případě zejména mimořádná pomalost difúzního transportu. Na Obr. 8.2.10. je znázorněn teoreticky modelovaný transport trichlorethylenu z málo propustné jílové vrstvy o různé tloušťce. Obr. 8.2.10. dobře ilustruje jednak malou rychlost difúzního transportu a dále vliv tloušťky vrstvy na tento transport. Vliv difúzního transportu na dobu sanace je významný ve většině typů zemin.
e) Změna rychlosti proudění podzemní vody
K výskytu tailing-efektu a rebound-efektu rovněž dochází v důsledku změny rychlosti proudění podzemní vody. Vliv rychlosti proudění byl již v zásadě diskutován výše v souvislosti s rozpouštěním volného produktu, sorpcí a srážením. Rovněž byly ilustrovány změny v rychlosti proudění v okolí čerpaného vrtu. Různé rychlosti proudění potom vedou k různým koncentracím rozpuštěného kontaminantu a různé intenzitě tailingu.
Obr. 8.2.9: Obecná závislost koncentrace rozpuštěného kontaminantu na rychlosti proudění podzemní vody
Obr. 8.2.10.: Změny v průměrné relativní koncentraci trichlorethylenu v jílových čočkách o různé tloušťce v závislosti na čase