Modelarea proceselor de poluare a apelor subterane i a solului

- note de curs

3500

3000 24 22 2500 20 18 16 2000 14 12 10 1500 8 6 1000 5 4 2 500 1

20 ani0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Materialul aflat pe acest suport este protejat de legea dreptului de autor. Copierea i utilizarea materialului astfel rezultat n orice scop constituie infraciuni.

2007

Cuprins

Cap. 1 CADRUL GEOLOGIC AL MIGRRII POLUANILOR ...............................................4 1.1 Mediul geologic ...................................................................................................................4 1.1.1 Apa n mediul geologic...............................................................................................15 1.1.2 Principalii parametrii ai mediilor poroase i ai apei ...................................................17 1.1.3 Acvifere tipuri de acvifere .......................................................................................20 Cap. 2 SURSE DE POLUARE A MEDIULUI GEOLOGIC, TIPURI DE POLUANI............26 2.1 Clasificarea surselor de poluare a mediului geologic ........................................................27 2.1.1 Clasificarea surselor de poluare dup modul de dezvoltare n spaiu.........................27 2.1.2 Clasificarea surselor de poluare dup evoluia lor n timp .........................................28 2.1.3 Clasificarea surselor de poluare dup gradul de mobilitate ........................................28 2.1.4 Clasificarea surselor de poluare dup natura fenomenului de poluare .......................29 2.1.5 Clasificarea surselor de poluare dup originea sursei.................................................29 2.1. Clasificarea poluanilor mediului geologic.......................................................................35 2.2.1. Clasificarea poluanilor n funcie de starea lor de agregare......................................35 2.2.2. Clasificarea poluanilor n funcie de natura lor ........................................................36 2.2.3. Clasificarea poluanilor n funcie de solubilitate n ap, durata biodegradrii .........37 Cap. 3 FUNDAMENTELE CHIMIEI APEI ...............................................................................39 3.1 Introducerea n chimia acvatic .........................................................................................39 3.2 Gazele din ap....................................................................................................................39 3.3 Aciditatea apei i dioxidul de carbon n ap ......................................................................40 3.4 Alcalinitatea .......................................................................................................................42 3.5 Calciul i alte metale n ap ...............................................................................................43 3.6 Legtura i structura complecilor metalici .......................................................................45 3.7 Calculul concentraiei speciilor..........................................................................................46 3.8 Reacia de complexare realizat de liganzi........................................................................46 3.9 Procesele de complexare si cele redox...............................................................................46 Cap. 4 PROCESE DE MIGRARE A CONTAMINANILOR N MEDIUL GEOLOGIC........48 4.1 Transferul contaminanilor miscibili..................................................................................49 4.2. Transferul contaminanilor imiscibili ...............................................................................51 Cap. 5 VULNERABILITATEA LA POLUARE A APELOR SUBTERANE ...........................53 5.1. Factorii naturali care influeneaz procesele de poluare a apelor subterane.....................53 5.2. Factorii antropici care influeneaz poluarea apelor subterane.........................................54 5.3. Gradul de vulnerabilitate evaluat prin metoda DRASTIC................................................56 Cap. 6 COMBATAREA POLURII, REFACEREA MEDIULUI GEOLOGIC.......................65 6.1. Criterii pentru stabilirea soluiilor de combatere a polurii ..............................................65 6.2. Msuri cu caracter general ................................................................................................66 6.3. Msuri specifice pentru combaterea i reducerea polurii apelor subterane ....................67 6.3.1. Ecranarea prin perei etani........................................................................................67 6.3.2. Izolarea hidraulic......................................................................................................68 6.3.3. Sisteme de drenaj .......................................................................................................68

2

6.4. Alte metode de combatere a polurii apelor subterane.....................................................71 6.5. Msuri specifice pentru combaterea i reducerea polurii solului....................................72 6.5.1. Fitoremedierea ...........................................................................................................74 6.5.2. Remedierea electrocinetic a solurilor contaminate cu metale grele.........................75 6.5.3. Remedierea calitii solurilor prin splare cu soluii acide........................................76 6.5.4. Inactivarea metalelor din sol prin utilizarea zeoliilor naturali..................................76 6.6. Atenuarea natural monitorizat .......................................................................................77 6.6.1. Identificarea contaminanilor .....................................................................................79 6.6.2. Evaluarea riscului.......................................................................................................79 6.6.3. Dispersia contaminantului .........................................................................................79 6.6.4. Volumul contaminantului prezent n zon.................................................................80 6.6.5. Durata proceselor de remediere .................................................................................80 6.6.6. Produi finali i produi intermediari.........................................................................81 Cap. 7 METALELE GRELE N MEDIU I SURSELE LOR....................................................83 7.1. Surse de metale grele ........................................................................................................83 7.1.1. Surse geochimice .......................................................................................................83 7.1.2. Surse antropice de metale grele .................................................................................85 7.2. Medii afectate de poluarea cu metale grele.......................................................................89 7.3. Etapele determinrii coninuturilor de metale grele din ape i soluri ...............................90 Cap. 7 SCHEMATIZAREA HIDROSTRUCTURILOR ............................................................94 7.1. Schematizarea spaial ......................................................................................................94 7.2. Schematizarea parametric ...............................................................................................95 7.3. Schematizarea hidrodinamic ...........................................................................................96 7.4. Alegerea variantei de modelare ........................................................................................97 Cap. 8 APLICAII.....................................................................................................................101 8.1. Realizarea modelelor pentru zona nesaturat .................................................................101 8.2. Modelul polurii zonei saturate din zona Neferal Acumulatorul.................................123 8.2. Delimitarea zonelor de protecie sanitar pentru captarea Vldeti................................149 BIBLIOGRAFIE........................................................................................................................158

3

Cap. 1 CADRUL GEOLOGIC AL MIGRRII POLUANILOR

1.1 Mediul geologic Mediul geologic este un sistem complex, situat la partea superioar a litosferei, limitat la zona n care omul i desfoar activitatea. El este format din roci ce pot conine ap subteran, gaze i resurse naturale neregenerabile. Calitatea mediuluiENERGIA SOLAR SUPRAFAA PMNTULUI Roci vulcanice

Alterare

Sedimente eroziune, transport i acumulare

Micarea magmei ctre suprafaa pmntului

ngropare i litificareRoci Sedimentare

Roci magmatice

Ridicarea crustei, denudare

Metamorfism

Roci Metamorfice

Metamorfism

Topire

Topire

Topire

Mediu abisal PRESIUNE I TEMPERATUR MARE

Fig. Circuitul rocilor

geologic este un factor ce afecteaz n mod direct condiiile de via ale omului.

4

n general mediul geologic este o component vulnerabil la aciunea agresiv a omului, manifestat cel mai frecvent prin contaminarea solului i apei subterane, perturbarea condiiilor naturale prin minerit i activitatea de construcii, depozitarea deeurilor la suprafaa terenului i n subteran. Cele trei tipuri fundamentale de roci ce alctuiesc crusta terestr, magmatice, metamorfice si sedimentare, prin intermediul agenilor i proceselor ce controleaz formarea lor, fac parte dintr-un circuit, denumit circuitul rocilor. Interconectarea prin intermediul acestui circuit scoate n eviden i mai bine natura relaiilor i dinamica suferit de mediul geologic. Din punct de vedere al problematicii abordate de aceast lucrare vor fi tratate pe larg aspectele legate de dinamica sistemului sol ape subterane precum i de poluarea acestuia. Pentru ca circulaia apei s fie posibil n mediul geologic, acesta trebuie s fie permeabil. Cea mai mare parte a rocilor permeabile din partea superioar a litosferei fac parte din categoria rocilor sedimentare. Formaiunile sedimentare acoper 75% din suprafaa scoarei terestre. Att sedimentele ct i rocile sedimentare au n general un caracter poligenetic. O trstura important a lor este aceea c s-au format n condiii de temperatur i presiune normale, apropiate sau similare celor din mediul ambiant. Diferena fundamental dintre sediment i roc sedimentar nu const n primul rnd n caracterul mobil sau consolidat al acestora ci n faptul c roca sedimentar, prin procesul de diagenez, a fost separat de mediul n care a avut loc sedimentarea. Poate fi considerat depozit sedimentar orice material care a luat natere prin: Dezagregarea i fragmentarea rocilor preexistente; Transportul i acumularea gravitaional n bazinele de sedimentare;5

Precipitarea chimic i biochimic din soluii naturale; Activitatea organismelor vegetale i animale, capabile s-i construiasc schelete sau nveliuri protectoare de natur mineral.

Fig. Medii depoziionale

Complexitatea acestor procese explic marea diversitate a rocilor sedimentare, reflectat de natura constituenilor lor, de caracterele structurale i texturale. n continuare, din considerente tiinifice i practice, rocile sedimentare vor fi clasificate dup criteriul genetic i mineralogic, deosebim astfel: Roci detritice (clastice); Roci argiloase; Roci carbonatice; Roci silicioase; Bauxite; Fosforite; Evaporite.

6

n continuare vor fi prezentate o serie de caracteristici ale acelor categorii de roci sedimentare ce constituie principalele roci acvifere. Rocile detritice Definiie: rocile detritice sunt agregate mobile sau consolidate, rezultate n urma dezagregrii rocilor preexistente, a transportului si a acumulrii materialului astfel rezultat (claste sau detritus), n diverse medii de sedimentare. Aceast categorie ocup 20 25 % din volumul total al depozitelor sedimentare. Clasificarea rocilor detritice s-a fcut dup dimensiunile i forma clastelor dup cum urmeaz: Roci mobile Psefite Psamite Aleurite Pelite Blocuri, bolovni, grohoti, etc Nisipuri Loess (praf) Mluri Rudite Arenite Siltite Lutite Roci consolidate Brecii i conglomerate Gresii Roci loessoide Argile Dimensiunea clastelor >2 mm 2 0.063 mm 0.063 0.004 mm > 0.004 mm

Rocile detritice consolidate au dou componente: clastele i liantul, fiecare din aceste dou componente putnd avea compoziie foarte variat. Cunoaterea acestei compoziii este important din punctul nostru de vedere, n msura n care aceasta confer materialului sedimentar proprieti specifice (solubilitate n ap, capacitate sporit de adsorbie sau de schimb ionic, etc.).

7

Conglomerat

Gresie

Siltit

Rocile argiloase Definiie: rocile argiloase sunt roci pelitice, formate preponderent din particule cu dimensiuni cuprinse ntre 0,01 mm i dimensiuni coloidale, n alctuirea crora intr n proporie mai mare de 60% minerale argiloase. Argilele sunt roci compacte, masive sau stratificate, caracterizate de o porozitate ridicat i o permeabilitate slab. Culoarea este foarte variat, fiind dependent de compoziia chimica. Clasificarea mineralogic i structural a rocilor argiloase: Tip petrografic ARGILE Varieti mineralogice Argile polimictice Varieti structurale sau texturale Argile masive

8

Argile oligomictice: Caolinitice; Montmorillonitice; Smectice; etc. ARGILITE (isturile argiloase) ROCI DE TRANZIIE Varieti silicioase; Varieti carbonatice: Marne; Argile calcaroase. Argile polimictice

Argile stratificate

Argile stratificate (n placi) Argile nisipoase; isturi arenacee; Calcisturi.

Dei din punct de vedere structural argilele pot fi considerate roci detritice, din punct de vedere genetic ele au n general o origine diferit de rocile de acestea, formndu-se adesea prin alterarea unor minerale preexistente. Ele sunt formate n general din alumosilicai hidratai. Roci carbonatice

Fig. Calcare organogene

Definiie: rocile carbonatice sunt roci sedimentare, poligene, constituite din minerale carbonatice (calcit, dolomit, aragonit, siderit, ankerit, magnezit, etc.) n9

proporie de peste 50% i subordonat minerale necarbonatice alogene (cuar, calcedonie, minerale argiloase, mice) i autigene (feldspat, fosfai, oxizi de fier, etc.) . n funcie de natura mineralului predominant i de participarea fraciunii necarbonatice se deosebesc: calcare, dolomite, roci de tranziie. Calcarele (formate predominant din calcit/aragonit la care se adaug minerale necarbonatice) pot fi clasificate funcie de originea lor n: Calcare chimice formate prin precipitare chimic; Calcare organogene: o Calcare bioconstruite formate n timpul vieii organismelor, dintrun schelet i ulterior din materialul de umplere al interstiiilor; o Calcare bioacumulate formate prin depunerea prii minerale dup moartea organismelor. Calcare clastice formate din acumularea gravitaional a fragmentelor calcaroase. Dolomitele roci formate predominant din dolomit [CaMg(CO3)2]. Se formeaz n general prin precipitare chimic n medii cu un caracter lagunar, lipsit de faun i apar asociate cu depozite evaporitice (ghips, anhidrit, etc.). Roci de tranziie realizat ntre: calcare i dolomite (calcar magnezian, calcar dolomitic, etc.), ntre calcare i roci detritice (calcar grezos, gresie calcaroas, etc.), intre calcare, dolomite i roci detritice (calcar slab argilos dolomitic, etc.) Rocile carbonatice au o trstur specific - datorit compoziiei lor sunt n general solubile n ap, n special daca aceasta are o temperatur sczut. Aceste roci genereaz cunoscutul relief carstic, circulaia apei subterane n golurile astfel formare este foarte activ iar formele create sunt foarte spectaculoase.

10

Rocile evaporiticeFig. Evaporite

Definiie: rocile evaporitice reprezint n exclusivitate produse de natur chimic, ce se formeaz prin precipitarea din soluii naturale lagunare sau marine, n medii aride caracterizate printr-o evaporare intens. Concentrarea extrem a soluiilor conduce la separarea compuilor foarte solubili. n aceste condiii, srurile dizolvate de Na, K, Ca, Cl, SO4 se concentreaz i cnd ating limita de saturaie, se separ prin precipitare. Evaporitele sunt roci cu frecven redus la suprafaa scoarei, ele au n general o grosime mic i ocup areale restrnse. n mod frecvent corpurile stratificate de evaporite, datorit orogenezelor, capt forme lenticulare, diapire, etc.

11

Din alctuirea acestor depozite evaporitice, fac parte minerale autigene din grupa halogenurilor, sulfailor i uneori a carbonailor i sulfurilor. Subordonat acestor minerale li se mai poate aduga o freciune alogen, argiloas sau bituminoas. n continuare sunt prezentate principalele tipuri de produse funcie de caracteristicile mediului de formare: Mediu oxidant MgCl2; KCl 6H2O MgCl2 6H2O KCl NaCl MgSO4 H2O Ca SO4 H2O Mediu oxidant Ca SO4 CaCO3 CaMg(CO3)2 Ca (PO4)3OH Mediu marin SiO2 Fe2O3 MnO2 Mediu euxinic Mediu euxinic Fe2S, PbS, ZnS Sulfuri n mluri, isturi cuprifere Opal, calcedonie Hematit n minette Piroluzit Salinitate Mediu hipersalin Carnalit Bishofit Silvina Halit Kieserit Gips Salinitate Mediu normal Calcit, aragonit, travertin oolitic Dolomit Colofan, apatit Produse Produse

Evaporitele au n general culori deschise dar pot fi nchise la culoare din cauza impuritilor, greuti specifice sunt n general mici, iar cele din grupele halogenurilor i sulfailor sunt foarte solubile n ap. n afara acestor grupe de roci sedimentare prezentate sumar, mai exist i alte tipuri de roci, magmatice i metamorfice, care pot prezenta porozitate secundar de tip fisural, sau de alte tipuri dar proporia acestora este mic. Rocile permeabile care au

12

capacitate de reinere a apei se numesc roci acvifere iar rocile ce nu permit reinerea apei sunt roci acvifuge.Fig. Circuitul apei

Apa Apa ocup

361,3 mil. km2 ceea ce reprezint 70,8 % din suprafaa globului. Din volumul total de ap, 97,3% i revin apei srate n timp ce din totalul 77,30% ghearilor, apelor apei dulci revin 22,40% i subterane

doar 0,36% lacurilor, rurilor, etc. Din total milioane situate pn al subterane, volumul apelor 8,467 km2 la

corespund acviferelor adncimea de 200 m (Scrdeanu, 2005). Din datele UNESCO rezult c numai 0,63% din volumul total de ap al globului este disponibil pentru om.

13

Un volum din aceast ap particip anual la un circuit, numit circuitul hidrologic global. Sub influena energiei solare, din Oceanul Planetar, se evapor anual o cantitate de ap, de aproximativ 449000 km3. cea mai mare parte din aceast cantitate de ap cade sub form de precipitaii tot n spaiul oceanic 412000 km3 de ap. Se estimeaz c o cantitate de 36400 km3 o reprezint scurgerea de suprafa n interiorul continentelor (34400 km3) i scurgerea subteran care se descarc direct n Oceanul Planetar (2000 km3). Precipitaiile czute pe uscat intr n circuitul hidrologic prin: evaporare de la suprafaa solului; stocare la suprafa, sub form lichid sau solid; curgere de suprafa difuz sau organizat; infiltrare. Acest circuit global al apei n natur este influenat direct de o serie de factori climatici, morfologici, etc., dintre acetia amintim: temperatura; evaporarea, regimul vnturilor; caracteristicile solului; relieful; vegetaia. n scoara terestr apa se gsete n diverse stri specifice: Apa n stare de vapori se gsete n zona vadoas, dinamica ei fiind controlat de distribuia presiunilor. Apa legat fizic meninut de forele de atracie molecular (de natur electrostatic), care se manifest la contactul particulelor cu moleculele de ap. n funcie de nivelul energetic deosebim apa higroscopic i apa pelicular, aceasta din urm se poate deplasa ntre particule funcie de grosimea peliculei de ap din jurul fiecrei particule. Apa legat chimic ea poate fi ap de cristalizare, caracterizat de prezena moleculei H2O i ap de constituie, caracterizat de prezena gruprii (OH)-. Mineralele hidratate cedeaz apa la temperaturi maxime de 300 4000C iar mineralele hidroxilice pierd apa la temperaturi ce pot ajunge la 13000C, odat cu distrugerea moleculei. Apa capilar este meninut n pori i fisuri de ctre forele de capilaritate. n funcie de poziia n profilul terenului i umiditatea acestuia deosebim: ap capilar suspendat; ap capilar mobil; ap capilar discontinu; ap capilar legat.14

Apa liber este considerat hidrodinamic activ i include apa gravitaional i apa capilar mobil.

Apa n stare solid are un caracter sezonier i se formeaz pn la adncimea de nghe (cca. 0,4 m pentru Bucureti i cca. 1,2 m n zonele montane din Romnia). Apa n stare supracritic apare la temperaturi i presiuni ridicate, la adncimi mari.

1.1.1 Apa n mediul geologic n cazul unui teren poros, permeabil, umiditatea n plan vertical este distribuit dup urmtorul model tipic (Fig. 1.2): Zona de aerare aflat n partea superioar a profilului, ntre suprafaa topografic i suprafaa acviferului. Ea este mprit n mai multe zone: o Zona de evapotranspiraie corespunztoare practic profilului de sol. Umiditatea n aceast zon este controlat de pierderea apei prin evapotranspiraie, aici este prezent o cantitate mare de ap sub form de vapori. o Zona de retenie (zona vadoas) evapotranspiraia este neglijabil, apa este reinut de ctre forele higroscopice i capilare, iar surplusul de ap din zona de evapotranspiraie se deplaseaz descendent sub influena gravitaiei. Grosimea acestei zone este variabil funcie de poziia nivelului piezometric (de la 0 la sute de metrii n zonele aride). o Zona capilar este generat de suprafaa piezometric, grosimea acestei zone este invers proporional cu granulometria (cca. 2,5 cm pentru pietriuri pn la 700 cm pentru silturi). Zona saturat se dezvolt sub suprafaa piezometric i caracterizat de faptul c ntregul volum al porilor este saturat de ap lichid n diverse stri. La nivel

15

Zona de evapotranspiraie

Zona de retenie (vadoas)

Zona de aerare

Zona capilar

Suprafaa piezometric

Zona saturat

Formaiune impermeabil Fig. Distribuia vertical a umiditii

general, limita inferioar a acestei zone este determinat de apariia temperaturilor i presiunilor critice (12 20 km. n domeniul continental) O component important a bilanului hidrologic o reprezint apa infiltrat. Capacitatea de infiltrare este definit ca viteza maxim cu care apa poate fi absorbit de sol pe unitatea de suprafa n condiii date. Aceast caracteristic este influenat direct de o serie de factori (Barcelona et. al., 1990): Umiditatea solului. Daca solul este uscat, n parte superioar a sa potenialul capilar este foarte ridicat. n situaia apariiei unor precipitaii, o cantitate mare de ap se va infiltra n sol, cantitate ce va scdea odat cu creterea gradului de umiditate al solului. Compactarea solului determinat de precipitaii. Colmatarea porilor din sol cu material fin transportat de fluxul infiltrat. Prezena unor microstructuri n sol determinate de activitatea organismelor, degradarea sistemului radicular etc., favorizeaz infiltrarea. Existena covorului vegetal favorizeaz infiltrarea prin faptul c reprezint un mediu de via pentru o serie de organisme care triesc n sol, precum i

16

prin faptul c reduce scurgerea de suprafa i eroziunea solului generat de picturile de ploaie. Temperatura valorile sczute ale acesteia cresc vscozitatea apei, reducndu-se astfel infiltrarea; Conductivitatea hidraulic vertical a terenului. Prezena aerului captiv n zona nesaturat, care determin reducerea conductivitii hidraulice. Panta terenului; Aciunea antropic.

1.1.2 Principalii parametrii ai mediilor poroase i ai apei Porozitatea este sistemul de goluri din masa unui sediment sau a unei roci. Din punct de vedere cantitativ porozitatea este reprezentat de raportul dintre golurilor i volumul total al terenului respectiv:n= Vg V 100

(1.1)

unde n porozitatea; Vg volumul golurilor; V volumul total. Porozitatea, funcie de origine, poate avea un caracter primar sau secundar. Porozitatea primar are n general un caracter interstiial i ia natere odat cu formarea depozitului sau rocii i este dependent de dimensiunea i forma particulelor constituente. Porozitatea primar poate suferii n timp modificri n sensul creterii sau reducerii, rezultatul fiind porozitatea secundar. Aceasta din urm este n general cauzat de aciunea de dizolvare a apei, de alterarea mineralelor din roc, de cristalizare sau deshidratare, de fisurarea rocilor din cauza micrilor tectonice, etc.

17

Porozitatea granulometrice

primar

este ale

dependent de caracteristicile materialului, iar cea secundar de compoziia, structura i textura rocilor, precum i de proprietile acestora. Depozitele solubile (calcar, sare, ghips, etc.), au o porozitate de tip secundar ca urmare a proceselor de dizolvare ce se dezvolt pe sistemele de fisuri. Din punct de vedere al disponibilitii sistemului de pori pentru deplasarea apei, deosebim dou componente ale porozitii : Porozitatea activ este reprezentat de volumul de goluri prin care apa poate circula liber i poate fi complet drenat gravitaional ; Porozitatea de retenie este reprezentat de golurile care nu comunic ntre ele i nu particip la formarea permeabilitii.n = na + nr Fig. Tipuri de poroziti Porozitate interstiial (cu caracter primar)

mecanice

alePorozitate fisural (cu caracter secundar)

(1.2)

unde n porozitatea total ; na porozitatea activ ; nr porozitatea de retenie. Permeabilitatea este proprietatea unui mediu poros de a permite lichidelor i gazelor s se deplaseze prin el, sub aciunea combinat a gravitaiei i presiunii. Cantitativ permeabilitatea se exprim prin coeficientul de permeabilitate :Kp = C d2

(1.3)

unde: C coeficient adimensional determinat de forma particulelor; diametrul mediu al particulelor, unitatea de msura este darcy.

18

Permeabilitatea este direct proporional cu granulozitatea, cu cat aceasta este mai fin, permeabilitatea se reduce. Umiditatea reprezint cantitatea de ap coninut n sol, ea este dependent de condiiile meteorologice n zona de aerare i este maxim n zona saturat. Cel mai frecvent umiditatea se exprim prin umiditatea volumic i gradul de saturaie. Umiditatea volumic reprezint raportul dintre volumul apei i volumul total al rocii:wv = Va V

(1.4)

unde Va volumul apei iar V volumul total al rocii. Gradul de saturaie reprezint raportul dintre volumul de ap din pori i volumul total al porilor:Sr = Va Vp

(1.5)

unde Vp volumul porilor. Vscozitatea este proprietatea fluidelor de a se opune deformaiilor relative care se manifest ntre straturile adiacente de fluid aflate n micare relativ fr ca deformaiile s fie nsoite de variaii ale volumului. Vscozitatea lichidelor este direct proporional cu temperatura, iar cea a gazelor este invers proporional. Tensiunea superficial este energia pe unitatea de suprafa la interfaa a dou medii (ex: ap - aer) care d natere capilaritii. Are ca unitate de msur dyne/cm. Acest fenomen este deosebit de important, el guvernnd relaiile solid - lichid la interfaa dintre acestea.

19

Conductivitatea hidraulic este o proprietate a unui mediu poros saturat care determin relaia, numit legea lui Darcy, ntre debitul specific i gradientul hidraulic care provoac micarea. Legea lui Darcy :U = K i

(1.6)

unde K conductivitatea hidraulic, i gradientul hidraulic, U viteza de filtrare. De aici rezult semnificaia atribuit n mod curent conductivitii hidraulice viteza de filtrare la un gradient hidraulic unitar. Conductivitatea hidraulic este determinat de: permeabilitatea intrinsec a formaiunii geologice (Kp); proprietile fizice ale apei (, ); gradul de saturaie al formaiunii (wv). Pentru o formaiune geologic conductivitatea hidraulic K este:K= K p

(1.7)

unde Kp permeabilitatea intrinsec, greutatea volumic a apei i vscozitatea dinamic a apei. Domeniul de variaie al conductivitii hidraulice este ntre 10-9 10-6 cm/sec pentru argile i 10-2 1 cm/sec pentru pietri sortat (C.W. Fetter, 1994).

1.1.3 Acvifere tipuri de acvifere Acviferul este zona saturat cu ap a unei formaiuni permeabile, prin care poate avea loc o curgere semnificativ (conductivitatea hidraulic, K>0,1 m/zi) a curentului de ap. Clasificarea acviferelor Principalele criterii de clasificare a acviferelor sunt urmtoarele (Scrdeanu, 2006):

20

condiiile de acumulare ale apelor subterane; variabilitatea parametrilor terenurilor permeabile; caracteristicile fizico-chimice ale apelor subterane; starea energetic a apei subterane. Condiiile de acumulare ale apelor subterane sunt dependente de litologia i structura formaiunii acvifere, deosebim astfel: acvifere formate n sedimente neconsolidate; acvifere formate n roci sedimentare consolidate; acvifere formate n roci magmatice sau metamorfice. Variabilitatea parametrilor terenurilor permeabile n funcie de acest criteriu deosebim dou tipuri fundamentale: omogene i izotrope valoarea parametrilor este aceeai n ntreg spaiul reprezentat de acvifer i variabilitatea este constant n toate direciile; neomogene i anizotrope valoarea parametrului este diferit de la un punct la altul iar variabilitatea se modific cu direcia. Caracteristicile fizico-chimice ale apei subterane condiioneaz modul de utilizare al resurselor de ap, deosebim: acvifere termale - temperatura apei > 230C o hipotermale temperatura este cuprins ntre 23 - 360C ; o mezotermale temperatura apei este cuprins ntre 36 - 420C ; o hipertermale temperatura este mai mare de 420C ; acvifere minerale apele subterane au anumite caracteritici chimice (mineralizaie total mai mare de 1 g/l pentru apele terapeutice ; coninutul de bioxid de carbon mai mare de 10 g/l). Cel mai utilizat criteriu de clasificare este cel al strii energetice a apei subterane, clasificare ce va fi prezentat n detaliu, se va ine cont i gradul de deschidere hidrogeologic. Din aceste puncte de vedere deosebim: acvifere cu nivel liber;

21

acvifere sub presiune.acvifere cu nivel liber dezvoltate n terenuri permeabile ce se dezvolt uniform pn la suprafaa topografic acvifere sub presiune acumulat n terenuri permeabile care sunt delimitate n acoperi de terenuri impermeabile i nivelul piezometric se afl la cote superioare acoperiului

Acviferele cu nivel liber se formeaz n terenurile permeabile care se dezvolt uniform pn la suprafa. Precipitaiile czute se pot infiltra liber conducnd la saturarea terenului pn la un anumit nivel nivel piezometric. Deasupra acestui nivel, terenul este nesaturat cu ap, formnd zone de aerare. Morfologia nivelului hidrostatic este influenat de morfologia suprafeei topografice, fiind n general similar cu aceasta dar cu variaii mult mai atenuate. Deplasarea apei n acvifer se face gravitaional n virtutea unui gradient hidraulic. Ca i n cazul reelei hidrografice aceast deplasare a curentului subteran este condiionat de poziia bazei locale de eroziune. Apa subteran ajunge la suprafa, atunci cnd nivelul hidrostatic intersecteaz n mod natural suprafaa topografic, situaie n care apar izvoare sau acviferul se afl n legtur hidraulic cu reeaua hidrografic. Acviferele sub presiune se formeaz n terenurile permeabile delimitate n partea superioar de formaiuni impermeabile permeabilitate acoperitoare sau redus. cu TerenulFig. Tipuri de acvifereAcvifer cu nivel liber (freatic) Formaiune impermeabil Acvifer sub presiune (captiv) Zona vadoas Franja capilar Nivel piezometric Nivel hidrostatic Infiltraii

22

permeabil ce formeaz acviferul este saturat cu ap, iar apa se afl sub presiune (nivelul piezometric al acviferului este superior poziiei formaiunii impermeabile din acoperi) . n funcie de sarcina piezometric acviferele sub presiune pot fi ascensionale sau arteziene (situaie n care sarcina piezometric este mai mare dect cota suprafeei topografice). O caracteristic important ce deosebete cele dou tipuri principale de acvifere (cu nivel liber i sub presiune) este poziia i extinderea zonei de alimentare a acviferului. n cazul acviferelor cu nivel liber, alimentarea se face prin infiltraii pe toata suprafaa lor, practic zona de extindere a acviferului coincide cu zona de alimentare. n cazul acviferelor sub presiune, zona de alimentare nu se extinde pe ntreaga suprafa a acviferului, frecvent alimentarea se face prin capetele de strat. n multe cazuri, zonele de alimentare ale acviferelor sub presiune pot fi situate la distane mari fa de zonele eventualelor captri ale acestor acvifere. Gradul de complexitate al structurilor hidrogeologice este foarte mare, n funcie de poziia relativ raportat la bazele local i regional de eroziune, deosebindu-se: hidrostructuri deschise, hidrostructuri parial deschise i hidrostructuri nchide (Scrdeanu, 2006). Acestea se deosebesc ntre ele prin poziie, prin proprietile terenurilor ce le alctuiesc, precum i prin dinamica apelor subterane.

23

Foraj de pompar

Foraj de injecie

Denivelare

Denivelare

Raz de influen

Raz de influen

Fig. Modificarea morfologiei suprafeei piezometrice i a spectrului curgerii subterane datorit exploatrii acviferului

Indiferent de natura unei intervenii n scopul exploatrii potenialului unui acvifer, aceasta va influena cantitativ i de cele mai multe ori i calitativ regimul natural al acviferului.Zona de alimentare a acviferului sub presiune Zona de alimentare a acviferului cu nivel liber Zona de descrcare a acviferului sub presiune

Acvifer cu nivel liber Nivel piezometric acvifer sub presiune Acvifer sub presiune Nivel hidrostatic acvifer freatic

Fig. Zonele de alimentare ale acviferelor

n afara proceselor complexe de poluare care fac obiectul acestei lucrri i vor fi prezentate n detaliu n capitolele urmtoare, extragerea sau injectarea unui debit de ap din/n acvifer determin modificarea spectrului hidrodinamic al curgerii n regim natural

24

Acest comportament al acviferelor impune necesitatea realizrii unor calcule precise n ceea ce privete parametrii de exploatare precum i delimitarea zonelor de influen a exploatrii, n care regiumul natural de curgere este perturbat. Dinamica poluanilor n mediul geologic (zona vadoas, acvifer) este de cele mai multe ori influenat direct de modul de explatare de ctre om a acestei resurse naturale.

25

Cap. 2 SURSE DE POLUARE A MEDIULUI GEOLOGIC, TIPURI DE POLUANI

Exist multe definiii ale poluri n sens general, dar de multe ori ncercarea de a defini acest concept plaseaz omul n poziii diferite sau chiar diametral opuse. O abordare este cea conform creia omul ar fi beneficiarul mediului n care triete. n virtutea acestui mod de a pune problema poluarea reprezint prezena ntr-un mediu a una sau mai multe substane sau amestecuri de substane n cantiti sau pe o perioad care le fac periculoase pentru oameni, animale sau plante i contribuie la punerea n pericol sau vtmarea activitii sau bunstrii persoanelor (Organizaia Mondial a Sntii). Din punctul de vedere al unui specialist n protecia mediului, o astfel de punere a problemei are un viciu esenial, acela de a prezenta fenomenul de poluare ca pe o noiune abstract de care nu este nimeni responsabil. O definire mult mai corect a problemei ar fi: Poluarea O stare indezirabil a mediului natural datorat contaminrii cu substane duntoare ca o consecin a activitii umane (Dicionarul Webster) sau Poluarea introducerea direct sau indirect, ca rezultat al activitii umane, de substane, vibraii, nclzire sau zgomot n aer, ap sau sol, care pot fi periculoase pentru sntatea uman, calitatea mediului sau pot crea pierderi materiale (U.E. Directiva Cadru a Resurselor de Ap). Chiar Legea mediului (nr. 195/2005) pune problema n termenii .introducerii directe sau indirecte a unui poluant care poate aduce prejudicii, de aici concluzia fireasc a asocierii polurii cu activitatea uman. Din punct de vedere al problematicii abordate n aceast lucrare de ctre autor, nu exist surse naturale de poluare, aceasta este strict o consecin a activitii umane; pentru fiecare caz de poluare trebuind s existe i un poluator. Acel principiu din legislaie mondial de mediu, conform cruia poluatorul pltete condiioneaz practic legtura dintre apariia polurii i existena unui poluator responsabil de aciunea sa. Orice poriune din mediu ambiant natural este caracterizat la un anumit moment de anumii parametrii, respectiva poriune poate fi sau nu propice existenei i dezvoltrii unor organisme (inclusiv omul) dar aceasta stare nu l face poluat sau curat.26

2.1 Clasificarea surselor de poluare a mediului geologic Orice clasificare este din start un proces subiectiv datorit caracterului sau convenional. ntotdeauna pot fi gsite noi criterii de aranjare a obiectelor, organismelor sau fenomenelor din lumea nconjurtoare, motiv pentru care n aceast lucrare, sursele de poluare vor fi clasificate dup criteriile considerate tradiionale: modul de dezvoltare n spaiu; modul de evoluie n timp; gradul de mobilitate; natura fenomenului de poluare; originea sursei. 2.1.1 Clasificarea surselor de poluare dup modul de dezvoltare n spaiu Din acest punct de vedere deosebim dou tipuri majore de surse de poluare concentrate i difuze. La rndul lor, sursele concentrate pot fi punctuale, cu dezvoltare liniar, etc. Sursele concentrate se manifest direct pe o suprafa clar, uor de delimitat i n general cu dimensiuni reduse raportat la ntregul areal afectat de surs. n cele mai multe cazuri aceast suprafa este redus considerat punctual, sau se extinde bidimensional. Exemple n acest sens pot fi conductele avariate, deversrile necontrolate din conducte, rezervoare fisurate, accidente ce afecteaz direct mici suprafee, canale, rigole, anuri, etc. n general acest tip de surse sunt relativ stabile ca debit i cantitate. n categoria celor difuze intr acele surse ce nu au o suprafaa de inciden direct clar delimitat sau care acioneaz pe suprafee ntinse n raport cu ntreaga zon afectat. Exemple clasice n acest sens sunt polurile produse de depunerile atmosferice, de ploile acide, de substanele chimice utilizate n scopuri diverse n agricultur, de reeaua hidrografic. De multe ori, localizarea acestor surse de poluare este legat de variabilitatea condiiilor meteorologice.27

n momentul n care se fac estimri ale dinamicii i evoluiei episoadelor de poluare sau evaluri ale impactului unei anumite activiti asupra mediului, precizarea corect a modului de aciune n spaiu a sursei este o obiectiv de prim importan. n multe cazuri tipul sursei condiioneaz direct modul de lucru ulterior (ex: modelarea matematic a zonei i a fenomenelor asociate). 2.1.2 Clasificarea surselor de poluare dup evoluia lor n timp n funcie de intervalul de timp n care au loc emisiile i de gradul de periodicitate deosebim: surse instantanee i surse continue. n categoria surselor instantanee intr acele surse ale cror emisii au o durata scurta (minute, zeci de minute) i n general un caracter accidental (accidente industriale, accidente survenite la transportul unor substane periculoase, etc.). Efectele acestui tip de poluare sunt n general rapide i de mare amploare, datorit cantitilor mari deversate ntr-un timp foarte scurt, pe un teren neafectat de poluantul respectiv. Se pot produce dezechilibre n sistemele afectate n intervale scurte de timp dup producerea accidentului. O alt caracteristic a acestui tip de poluare este faptul c, datorit capacitii naturale de autoepurare a mediului, ntr-un timp destul de scurt sistemul poate reveni la parametrii iniiali, autoepurarea putnd aciona eficient ncepnd din momentul ndeprtrii sursei de poluare. Sursele continue sunt acele surse ale cror emisii au durate lungi i foarte lungi, pot avea un caracter periodic (asociate cu diverse etape ale proceselor tehnologice). Acest tip de surse, este n general periculos datorit caracterului cumulativ pe care l are procesul de poluare, adesea determinnd poluri istorice.

2.1.3 Clasificarea surselor de poluare dup gradul de mobilitate Cele dou tipuri de surse definite dup acest criteriu sunt: sursele fixe i sursele mobile. Cel mai frecvent, poluarea mediului geologic este rezultatul aciunii surselor fixe de poluare (halde, terenuri agricole, ferme zootehnice, depozite de deeuri, deversri

28

industriale, etc.). n a doua categorie se ncadreaz n general mijloacele de transport, a cror impact direct asupra aerului este mult mai evident dect aspra solului i subsolului, unde poluanii pot ajunge indirect, sub form de depuneri atmosferice cu caracter difuz.

2.1.4 Clasificarea surselor de poluare dup natura fenomenului de poluare Datorit complexitii proceselor de poluare, este dificil de precizat pentru fiecare caz n parte, natura acestor procese. De cele mai multe ori, aceste procese coexist i se influeneaz direct unele pe altele. Totui sub aspect teoretic se poate face o distincie ntre poluarea de natur fizic, chimic, biologic i radioactiv. poluarea fizic nu determin modificri directe ale chimismului ci doar a parametrilor fizici ai mediului implicat (modificarea temperaturii, a coninutului de aer din sol, etc.); poluarea chimic implic existena unor emisii substane reactive, care la rndul lor pot fi de anorganice sau organice i care determin modificri de natur chimic ale mediului afectat; de poluarea biologic sunt responsabile n general microorganismele fie cu caracter patogen, fie capabile s afecteze microbiota solului sau ecosistemul apelor subterane; poluarea radioactiv este generat de dezintegrarea nucleelor instabile nsoit de emisia de particule sau radiaii. Intensitatea i tipul radiaiilor sunt dependente de elementul implicat i de caracteristicile acestuia (timp de njumtire, viaa medie a nucleelor, etc.).

2.1.5 Clasificarea surselor de poluare dup originea sursei n funcie de domeniul general n care de ncadreaz activitatea ce genereaz surse de poluare, distingem urmtoarele categorii: poluare industrial;29

poluare agricol; poluare urban i menajer. Poluarea industrial Dintre sectoarele industriale, cele mai poluante pentru ap i sol sunt considerate: Industria chimic (compuii organici i anorganici) afecteaz: apa prin utilizarea acesteia n procesele tehnologice, ca agent de rcire i prin emisiile de compui organici, metale grele, suspensii solide, materii organice, fenoli, cianuri; solurile prin depozitarea deeurilor rezultate din procesele tehnologice i prin zgura i cenua ce se depune din ap sau din aer. Industria hrtiei i a pastei de celuloz afecteaz: apa prin folosirea ei n procesele tehnologice i prin emisiile de suspensii solide, materii organice, compui organici clorurai, dioxin, etc. Industria cimentului, sticlei i ceramicii afecteaz: apa prin utilizarea ei ca ap de proces tehnologic i impurificarea cu hidrocarburi i metale grele; solul prin procesele de extracie de materii prime i prin depozitarea deeurilor tehnologice (n special cu coninut de metale). Industria metalurgic feroas afecteaz: apa prin utilizarea ca ap de proces tehnologic i prin emisiile de materii organice, substane bituminoase, hidrocarburi, suspensii solide, metale, benzen, fenoli, acizi, sulfai, amoniac, cianuri, tiocianai, tiosulfai;

30

solul prin depozitarea deeurilor tehnologice cu coninut de: metale grele, sulfai, sruri, resturi de hidrocarburi. Industria metalurgic neferoas afecteaz: apa prin utilizarea ei n scrubere i impurificarea cu hidrocarburi, fluor, particule solide; solul prin depozitarea zgurii. Industria petrolier afecteaz: apa prin utilizarea ei ca agent de rcire i prin emisiile de hidrocarburi, mercaptani, substane corozive, fenoli, crom, eflueni din scurberele de gaze; solul prin depozitarea deeurilor periculoase, catalizatori epuizai, gudroane. Tbcriile i industria pielii afecteaz: apa prin utilizarea ei ca ap de proces tehnologic i prin emisiile de substane toxice ce conin suspensii solide, sulfai, crom; solul prin deeurile bogate n crom. Poluarea agricol Dintre sectoarele agricole, cele mai poluante pentru ap i sol sunt considerate: Specializarea i concentrarea produciei o Creterea suprafeelor cultivate, consolidarea terenurilor, defriarea afecteaz: apa: prin efectele ndeprtrii covorului vegetal antrenarea solului de ctre ape, contaminarea apelor, eutrofizare; solul prin: expunerea sa la eroziune i la degradare. o Creterea intensiv a animalelor afecteaz: apa prin efluenii de siloz nutrieni;31

ncrcai cu materii organice i

solul prin mprtierea gunoiului de grajd bogat n metale grele. o Practicarea agriculturii intensive afecteaz: apa prin creterea ncrcturii de sediment din ape; solul prin pierderea materiei organice, deteriorarea structurii, a boitei, scderea fertilitii i capacitii de adsorbie. Fertilizarea o Cu gunoi de grajd, care afecteaz: apa cu materii organice i nutrieni ce au ca efect eutrofizarea i scderea coninutului de oxigen. Prin infiltrare contaminanii ajung n apele subterane. solul prin acumularea de metale grele, fosfai i riscul de cretere a aciditii. o Cu ngrminte chimice, care afecteaz: apa prin splarea nitrailor i fosfailor urmat de creterea nivelului de nutrieni din ap, eutrofizare i contaminarea acviferelor; solul prin acumularea de metale grele ce pot ptrunde n lanul trofic, prin creterea riscului de acidifiere, de distrugere a structurii solului i a bilanului nutrienilor. o Cu nmol menajer, care afecteaz: apa prin splarea i infiltrarea n acvifer a nutrienilor i a altor compui chimici; solul prin acumularea de metale grele i microorganisme ce pot ptrunde n lanul trofic. Aplicarea pesticidelor afecteaz: apa prin splarea rezidurilor mobile i a produilor degradai i antrenarea lor n apele subterane;

32

solul prin acumularea pesticidelor persistente, a produilor degradai, infiltrarea acestora n profilul de sol i prin distrugerea biotei solului. Lucrrile de irigaii i de prelevare de ap afecteaz: apa prin scderea nivelului hidrostatic care determin creterea salinitii cu impact direct asupra calitii apelor de suprafa i subterane; solul prin creterea salinitii i alcalinitii. Lucrrile de drenaj afecteaz: apa, determinnd scderea potenial a biodiversitii acvatice ; solul prin apariia oxidrii solurilor organice cu efect n reducerea coninutului organic, acidifiere i modificarea structurii solului. Lucrrile de mecanizare a agriculturii: o Lucrrile de artur i cultivare afecteaz: apa prin ncrcarea acesteia cu sediment i eutrofizare; solul prin expunerea acestuia la procesele de eroziune. o Folosirea utilajelor grele afecteaz: apa prin ncrcarea acesteia cu sediment i eutrofizare; solul prin compactare. Poluarea urban i menajer Aceast surs major de poluare se manifest cel mai agresiv pentru ap i sol prin intermediul urmtoarelor activiti: Utilizarea terenului ca spaiu de locuit afecteaz: apa n urma activitatea de grdinrit, prin splarea pesticidelor i fertilizatorilor; solul prin activitile de renovare sau extinderea spaiilor de locuit, activiti generatoare de cantiti mari de deeuri;33

precum i prin utilizarea unor spaii pentru construcii, grdinrit, etc., spaii care devin indisponibile pentru alte destinaii. Alimentarea cu ap a oraelor afecteaz: apa prin deversarea apelor uzate menajere contaminate cu materii organice, fosfai i compui ai azotului i activitatea de splare, prin folosirea detergenilor care determin contaminarea cu materii organice i suspensii solide. Utilizarea bunurilor apa prin (hran, obiecte de mbrcminte, mobile, ce echipamente electrocasnice, medicamente, etc.) afecteaz: utilizarea detergenilor, dezinfectanilor determin apariie compuilor organici clorurai, prin prepararea hranei ce determin emisii de nutrieni i de substane organice; solul prin depozitarea deeurilor menajere (formate din resturi alimentare, celuloz, sticl, textile, mase plastice, resturi metalice, etc.) precum i deeuri de natur chimic pesticide, uleiuri, vopsele, baterii, cosmetice, medicamente, etc. Transportul i serviciile afecteaz: apa prin produse petroliere i lubrefiani; solul prin depozitarea anvelopelor uzate, autoturismelor uzate, precum i prin utilizarea terenului pentru ci de circulaie, conducte, infrastructur. Datorit legturii hidraulice existent frecvent ntre apele subterane i cele de suprafa, fie n sensul drenrii fluxului subteran de ctre reeaua hidrografic fie invers, acestea se pot contamina reciproc. Existena diferenelor mari de calitate a apei, n general n favoarea apelor subterane, net superioare calitativ, face ca acestea s fie

34

adesea impurificate de ctre apele de suprafa, care n aceast situaie constituie reale surse de poluare. n afara acestei clasificri a principalelor surse de poluare n funcie de diverse criterii, pentru o mai bun nelegere a complexitii proceselor de poluare este util realizarea unei clasificri a poluanilor. 2.1. Clasificarea poluanilor mediului geologic Criteriile de clasificare sunt n general orientate pe urmtoarele caracteristici ale poluantului: stare de agregare; natura sa; solubilitate n ap, durata degradrii naturale, etc. 2.2.1. Clasificarea poluanilor n funcie de starea lor de agregare n funcie de starea de agregare deosebim: poluani gazoi; poluani lichizi; poluani solizi. Cei mai reprezentativi poluani din categoria gazelor provin n general din procesele de ardere (SO2, CO2, N2O, CH4, CO, compui organici volatili COV, etc.). Aceti compui determin n general poluarea aerului, dar indirect, antrenai de precipitaii, ajung pe sol, dizolvai n ap sau sub form de compui noi. Cel mai frecvent proces de poluare a solului i apelor subterane, determinate de existena acestor gaze n atmosfer, n constituie acidifierea rezultat n urma episoadelor de ploaie acid. Aceasta se formeaz n urma combinrii oxizilor de sulf i de azot cu apa

35

atmosferic rezultnd astfel acid sulfuric i azotic. Acidifierea solului conduce la: dizolvarea srurilor de calciu i de magneziu determinnd carene n nutriia plantelor i la creterea mobilitii metalelor din sol. n urma procesului de infiltrare, acidifierea se poate manifesta pn la nivelul apelor freatice. Chiar dac, n general, poluanii gazoi afecteaz n mod direct atmosfera, datorit depunerilor de diverse feluri (gravitaionale, precipitaii), adesea acetia au un impact semnificativ i asupra solului i a apelor subterane. 2.2.2. Clasificarea poluanilor n funcie de natura lor Din acest punct de vedere, se deosebesc: poluani anorganici; poluani organici; poluani biologici; poluani fizici (termici, radioactivi). Din categoria poluanilor anorganici amintim: cationii metalici (plumb, zinc, aluminiu, cadmiu, cupru, mercur, calciu, magneziu, etc.); anionii (fluor, clor, nitrai, nitrii, fosfat, sulfat, carbonat, cianuri, etc.) precum i gazele dizolvate (oxigen, dioxid de carbon, azot, etc.). Poluanii organici sunt foarte numeroi, ei putnd fi mprii n mai multe categorii: hidrocarburi policiclice aromatice (PAH), poluani organici sintetici (inclusiv pesticide i erbicide), compui organici volatili (COV). n categoria poluanilor biologici intra microorganismele patogene sau nepatogene i virusuri, (bacterii coliforme, coliformi fecali, E coli, Giardia lamblia, etc.). Din categoria factorilor responsabili de poluarea fizic, fac parte: poluanii termici care determin modificarea temperaturii mediului n afara domeniului natural

36

de variaie a acesteia; poluanii radioactivi, generatori de radiaii nocive (n special beta i gama care pot penetra piele i esuturile umane), constnd n radionuclizi cu via lung, precum: stroniu 90 (26 ani) i cesiu 137 (30 ani), uraniu 238 (4,47 x 109 ani) dar i iodul 131, bariu 140, etc. n afara poluanilor enumerai, mai poate fi considerat poluare fizic, impurificarea solului i a apelor cu particule de dimensiuni variabile, insolubile i n general inerte din punct de vedere chimic (diverse componente minerale, fragmente de sticl, mase plastice).

2.2.3. Clasificarea poluanilor n funcie de solubilitate n ap, durata biodegradrii Un aspect determinant pentru dinamica poluanilor n mediu l reprezint caracterul miscibil sau imiscibil al fluidului n ap. n funcie de aceast caracteristic deosebim: poluani miscibili in acvifer; poluani imiscibili n acvifer. n cazul fluidelor solubile (miscibile) n ap, dinamica n acvifer este similar cu a solventului, iar scderea concentraiei este controlat de o serie de procese complexe (sorbie, precipitare, biodegradare) ce se desfoar sub controlul parametrilor ce caracterizeaz mediul (matricea acviferului, apa, interaciunea ap fluid poluant). Deplasarea fluidelor imiscibile n ap este dependent de densitatea lor, cele cu densitate mai mic dect a apei vor avea tendina s se ridice i s se localizeze n partea superioar a acviferului. Fluidele cu densitate mai mare vor avea tendina s coboare n raport cu direcia de curgere a apei i s se localizeze n zona culcuului acviferului. n funcie de compoziia chimic i de proprietile lor, poluanii pot avea capacitatea de a se descompune n mod natural (prin oxidare, adsorbie, procese biologice, etc.). Viteza cu care se desfoar procesele de biodegradare este dependent de o serie de elemente ce caracterizeaz mediul (compoziia pedologic/litologic, grosimea zonei vadoase, gradul de afnare al terenului, coninutul de oxigen din zona37

vadoas, etc.). Procesele de atenuare natural a concentraiei de substane poluante sunt mult mai active la nivelul zonei vadoase, faa de acvifer, datorit coninutului ridicat de oxigen, de substan organic din orizontul superior al solului sau de eventuala prezen a mineralelor argiloase.

38

Cap. 3 FUNDAMENTELE CHIMIEI APEI 3.1 Introducerea n chimia acvatic Fenomenele chimice caracteristice mediului acvatic implic reacii acid-baz, de solubilizare, de oxido-reducere i de complexare. Procesele biologice joac un rol important n chimia mediului acvatic. Spre exemplu, algele fotosintetizante pot crete pH-ul apei prin eliminarea CO2-ului. n sistemele acvatice naturale este mult mai greu de descris fenomenul chimic, deoarece acestea reprezint sisteme deschise cu intrri i ieiri de energie. i mas variabile i de asemenea conin faze minerale. Astfel, neputndu-se realiza o descriere exact a chimiei unor sisteme naturale de ap se folosesc metode simplificate, de multe ori bazate pe concepte chimice de echilibru. Cu toate c nu sunt exacte sau realiste n totalitate astfel de modele pot furniza generalizri folositoare i o bun cunoatere ce aparine naturii proceselor chimice acvatice i pun la dispoziie ghidare pentru descrierea i msurarea acestor sisteme.

3.2 Gazele din ap Gazele dizolvate O2 pentru peti i CO2 pentru algele fotosintetizante sunt cruciale pentru bunstarea speciilor vii din ap. Unele gaze din ap pot cauza de asemenea probleme cum ar fi moartea petilor din cauza bulelor de azot formate n snge prin expunerea la ap suprasaturat cu azot. Solubilitatea gazelor din ap este calculat conform Legii lui Henry, conform creia solubilitatea unui gaz dintr-un lichid este proporional cu presiunea parial a gazului n contact cu lichidul.

39

Oxigenul din ap Fr un nivel apreciabil al oxigenului dizolvat, multe organisme acvatice nu pot tri n ap. Oxigenul dizolvat este consumat prin degradarea materiei organice. O caracteristic important a unui sistem acvatic este capacitatea de a se reoxigena. Oxigenul din ap provine din aciunea fotosintetizant a algelor, dar aceasta nu este o metoda eficient, deoarece cantitatea de oxigen este pierdut pe timpul nopii n procesele metabolice. Este important s se fac diferena dintre solubilitatea O2-ului care reprezint concentraia O2-ului maxim dizolvat la echilibru i concentraia oxigenului care nu este n general concentraia la echilibru i este limitat de rata la care se dizolv oxigenul. Nivelul oxigenului dizolvat se poate apropia repede de 0 dac nu este acioneaz un mecanism eficient de reaerare a apei. Problema devine n mare una de cinetic, n care exist o limit a ratei la care oxigenul este transferat prin suprafaa de contact dintre ap i aer. Aceast rat depinde de turbulen, mrimea bulelor de aer, temperatur i ali factori. Degradarea mediat de microorganisme a numai 7 sau 8 mg de material organic poate consuma complet oxigenul dintr-un litru de ap iniial saturat cu aer la temperatura de 25 C. Efectul temperaturii asupra solubilitilor gazelor din ap este important n mod special n cazul oxigenului. Solubilitatea oxigenului n ap scade de la 14.74 mg/L la 0C la 7.03 mg/L la 35 C. La temperaturi mai mari solubilitatea sczut a oxigenului combinat cu rata respiraiei crescute a organismelor acvatice cauzeaz frecvent condiii n care o cerere mai mare de oxigen nsoit de o solubilitate sczut a gazului n ap duc la epuizarea drastic a oxigenului.

3.3 Aciditatea apei i dioxidul de carbon n ap Fenomenul acid-baz n ap implic cedare i acceptare de ioni de H+. Multe specii se comport ca acizi n ap elibernd ioni de H+, iar altele se comport ca baze prin acceptare de H+, molecula de ap avnd caracter amfoter. O specie important n

40

chimia apei este ionul bicarbonat HCO3 ce se poate comporta i ca acid i ca baz. Cu toate c teoretic toate apele au o anumit alcalinitate, apa acid nu este ntlnit des, cu excepia cazurilor de poluare sever. Aciditatea rezult n general din prezena acizilor slabi n special CO2, dar cteodat mai cuprinde i alii cum ar fi H2PO4-, H2S, proteine i acizi grai. Termenul de acid liber mineral este aplicat acizilor tari ca H2SO4 i HCl n ap. Caracterul acid al unor ioni metalici hidrai poate contribui la aciditate. Dioxidul de carbon n ap Cel mai important acid slab din ap este dioxidul de carbon. Datorit prezenei sale n aer i a producerii lui din descompunerea microbial a materiei organice, dioxidul de carbon dizolvat este prezent teoretic n toate apele naturale i poluate. Ploaia czut chiar i dintr-o atmosfer complet nepoluat este foarte puin acid datorit prezenei dioxidului de carbon dizolvat. Dioxidul de carbon i produii si de ionizare, ionul bicarbonat HCO3 i ionul CO32- au o influen extrem de important asupra chimiei apei. Multe minerale sunt depozitate ca sruri ale ionului carbonat. Algele din ap utilizeaz dioxid de carbon dizolvat n sinteza biomasei. Echilibrul dioxidului de carbon dizolvat cu cel gazos din atmosfer i echilibrul ionului CO3- ntre soluiile apoase i mineralele carbonice au un puternic efect de tampon asupra pH-ului apei. Ca o consecin a nivelului sczut de dioxid de carbon atmosferic, apa lipsit de alcalinitate (capacitatea de a neutraliza H+ n echilibru cu atmosfera) conine un nivel foarte sczut de dioxid de carbon. Totui, formaiile CO32- i HCO3

cresc foarte mult solubilitatea dioxidului de carbon. Concentraiile mari de

dioxid de carbon pot afecta n mod negativ respiraia i schimbul de gaze cu alte animale acvatice, ns nu ar trebui s depeasc nivele de 25 mg/L. O mare parte din dioxidul de carbon din ap este un produs al degradrii materiei organice de ctre bacterii. Chiar algele fotosintetizante l produc n timpul proceselor metabolice n absena luminii. Concentraia de dioxid de carbon gazos n atmosfer variaz cu locaia i anotimpul, ea crete cu o parte la milion (ppm) n volum pe an.41

3.4 Alcalinitatea Alcalinitatea este capacitatea apei s accepte ioni pozitivi de H (protoni). Aceasta este important n tratarea apei i n chimia i biologia apelor naturale. Apa puternic alcalin are deseori un pH mare i conine n general nivele superioare ale solidelor dizolvate. Alcalinitatea servete drept tampon pentru pH i rezervor pentru carbonul neorganic. De asemenea, ea poate fi folosit msur pentru fertilitatea apei deoarece ajut la determinarea abilitii acesteia de a susine creterea algelor. n general, speciile bazice responsabile pentru alcalinitatea din ap sunt ionul hidroxil, ionul bicarbonat i ionul carbonat. Alte specii ce contribuie n mic msur sunt amoniacul i bazele conjugate ale acizilor fosforic, de siliciu, boric. La valori ale pH-ului sub 7 [H+] se diminueaz alcalinitatea. Este important s se fac diferena ntre bazicitatea mare manifestat prin pH ridicat i alcalinitate mare, capacitatea de a accepta ioni de H+. n timp ce pH-ul este un factor de intensitate, alcalinitatea este un factor de capacitate. n termeni de inginerie alcalinitatea este frecvent exprimat n uniti de CaCO3/mg/L bazndu-se pe urmtoarea reacie de neutralizare a acidului: CaCO3 + 2H+ --- > Ca2+ + CO2 + H2O Exprimarea alcalinitii n termeni de mg/L a CaCO3 poate totui genera confuzie i notarea preferabil pentru chimiti este echivaleni/L, numrul de moli de H+ neutralizai de alcalinitatea unui litru de soluie. Substane ce contribuie la alcalinitate la diferite valori ale pH-ului Apa natural are n mod normal o alcalinitate, numit aici [alk] de 1.00 x 10-3 echivaleni/L. Contribuiile realizate de diferite specii la alcalinitatea depind de pH.

42

Acest lucru este demonstrat aici prin calcularea contribuiile relative la alcalinitate a HCO3-, CO32- sau OH- la pH 7.00 i la pH 10.00. Pentru apa la pH 7 [OH-] e prea sczut pentru a aduce o contribuie semnificativ, aadar alcalinitatea este datorat H2CO3-ului. La pH mai mare att OH- ct i CO32- sunt prezente n concentraii semnificative comparativ cu HCO3-. Carbonul anorganic dizolvat i alcalinitatea Din valorile deduse mai sus, se poate arta faptul c la aceeai valoare a alcalinitii concentraia carbonului anorganic dizolvat variaz cu pH-ul. Concentraia mai sczut de carbon anorganic la pH 10 arat c sistemul acvatic poate dona carbon anorganic dizolvat pentru folosirea n fotosintez, cu o schimbare a pH, dar nici una a alcalinitii. Aceast diferen n concentraie de carbon anorganic dizolvat, dependent de pH, reprezint o important surs potenial de carbon pentru algele din ap, ce fixeaz carbonul prin reacii complexe. Dac carbonul anorganic dizolvat este folosit pentru sinteza biomasei, apa devine mai bazic. Cantitatea de carbon anorganic dizolvat ce poate fi consumat nainte ca apa s devin prea bazic pentru a permite reproducerea algelor este proporional cu alcalinitatea. Influena alcalinitii asupra solubilitii dioxidului de carbon Solubilitatea crescut a dioxidului de carbon din apa cu o alcalinitate ridicat poate fi ilustrat prin compararea ei n ap pur (alcalinitatea 0).

3.5 Calciul i alte metale n ap Ionii de metal din ap, exist sub numeroase forme. Pentru a asigura cea mai mare stabilitate a nveliurilor exterioare ale electronilor, ionii de metal sunt unii cu apa

43

sau coordinai cu alte specii. Acestea pot fi molecule de ap sau alte baze mai tari. Aadar, ionii metalici n soluie apoas sunt prezeni sub form de cationi metalici hidratai. Ionii metalici n soluie apoas tind s ating o stare de stabilitate maxim prin reacii ce include reaciile acid-baz. Ionii metalici hidratai ca acizi Ionii metalici hidratai, n special cu sarcina3+

, sau mai mare, tind s piard ioni

de H+ din moleculele de ap legate de ei n soluii apoase i se potrivesc definiiei acizilor a lui Brnsted conform creia acizii sunt donori de H+ i bazele sunt acceptori. Aciditatea unui ion metalic crete cu sarcina i scade cu creterea razei. Ionii metalici trivaleni hidratai, cum ar fi fierul, au n general minus cel puin un ion de H- la valori neutre ale pH-ului sau chiar mai mici. Pentru ionii metalici tetravaleni formele complet protonice sunt rare chiar la valori foarte sczute ale pH-ului. n general, ionii metalici bivaleni nu pierd un ion de H- la valori ale pH-ului mai mici dect 6 n timp ce ionii monovaleni ca Na+ nu se comport deloc ca acizi, ei exist n soluie apoas ca ioni simpli hidratai. Tendina ionilor metalici hidratai de a se comporta asemenea acizilor poate avea un efect important asupra mediului acvatic. Calciul din ap Dintre cationii gsii n majoritatea sistemelor acvatice continentale, calciul are n general cea mai mare concentraie. Chimismul calciului, dei destul de complicat, este totui mai simplu dect al ionilor metalici de tranziie gsii n ap. Calciul este un element cheie n multe procese geochimice. Mineralele constituie sursa primar de ioni de calciu din ap. Printre mineralele primare ce contribuie, se numr gipsul CaSO4 2 H2O, anhidritul CaSO4, dolomitul CaMg(CO3)2. Apa ce conine un nivel ridicat de CO2 dizolv rapid calciul din mineralele sale: CaCO3 + CO2 + H2O Ca2+ + 2 HCO3. Cnd aceast reacie are loc invers i CO2 e eliberat din ap se formeaz depozite de CaCO3.44

Dioxidul de carbon catigat de ap prin echilibrare cu atmosfera nu justific nivelele de calciu dizolvate n ape naturale n special n ape subterane. Respiraia microorganismelor, degradarea materiei organice n ap, sedimente i sol sunt factori de cretere a nivelului de CO2 i HCO3-. Dioxidul de carbon dizolvat i mineralele carbonatului de calciu Echilibrul dintre dioxidul de carbon dizolvat i mineralele carbonatului de calciu este important pentru determinarea mai multor parametri naturali ai chimiei apei cum ar fi alcalinitatea, pH-ul i concentraia calciului dizolvat.

3.6 Legtura i structura complecilor metalici Aceast seciune discut unele dintre fundamentele ce ajut n nelegerea reaciei de complexare din ap. Un complex const ntr-un atom central de metal pentru care sarcinile neutre sau negative ale liganzilor ce dein proprietatea de electron-donor sunt legate. Complexul rezultat poate fi netru, poate avea o sarcin pozitiv sau negativ. Liganzii se spune c sunt coninui n interiorul sferei de coordinare a atomului central de metal. Numrul de coordinare al unui atom de metal sau ion este numrul de liganzi al grupurilor electron-donor care sunt legai de el. Cele mai comune numere de coordinare sunt 2, 4, 6. Selectivitatea i specificitatea n chelare Cu toate c agenii de chelare nu sunt niciodat complet specifici pentru un ion de metal particular, anumii ageni complicai de chelare de origine biologic se apropie de specificitate complet pentru anumii ioni ai metalelor. S-a observat c cianobacteria din

45

speciile Anabaena secret cantiti semnificative de ageni de chelaie n timpul perioadei de nflorire a algelor. n concluzie, agentul de chelare are o dubl funcie de promovare a creterii anumitor cianobacterii n timp ce suprim creterea speciilor competitoare, permind cianobacteriilor s existe ca specie dominant.

3.7 Calculul concentraiei speciilor Stabilitatea ionilor compleci n soluie este exprimat n termeni ai constantelor de formare. Acestea pot fi constante de formare (expresii K) ce reprezint legtura liganzilor individuali cu un ion metallic sau constante globale de formare (expresii b) ce reprezint legtura dintre doi sau mai muli liganzi i un ion de metal.

3.8 Reacia de complexare realizat de liganzi n general agenii de complexare, n special compuii de chelaie sunt bazele conjugate ale acizilor lui Brnsted. La pH-ul aproape netru ntlnit n apele naturale, majoritatea liganzilor sunt prezeni sub form de acid conjugat. Pentru a nelege competiia dintre ionul de hidrogen i ionul de metal pentru un ligand, este folositor s se cunoasc distribuia speciilor de liganzi ca o funcie a pH-ului. Se ia nconsiderare acidul nitrilotriacetic denumit n general H3T. Sarea trisodic a acestui compus (NTA) este un puternic agent de chelaie. Procesele biologice sunt necesare pentru degradarea NTA-ului. Datorit abilitii NTA-ului de a solubiliza i a transporta ionii de metale grele acest material este de o importan considerabil pentru mediu.

3.9 Procesele de complexare si cele redox

46

Complexarea poate avea un efect puternic asupra echilibrului oxidoreductor prin reaciile de transfer, ca cea pentru oxidarea plumbului. Pb Pb2+ + 2 eMulte metale formeaz nveliuri autoprotective de oxizi, carbonai i alte specii insolubile care mpiedic reaciile chimice n continuare. Cuprul, aluminiul i fierul sunt exemple de metale autoprotective. Un agent de chelare, n contact cu asemnea metale, poate duce la disoluia continu a nveliului protector astfel nct metalul expus corodeaz repede.

47

Cap. 4 PROCESE DE MIGRARE A CONTAMINANILOR N MEDIUL GEOLOGIC contaminani miscibili; contaminani imiscibili Caracteristicile zonei vadoase, alturi de proprietile poluanilor, regimul de precipitaii i adncimea nivelului hidrostatic, influeneaz n mod direct cantitatea de poluant ce poate ptrunde n acvifer. Zona vadoas poate constitui un adevrat tampon ntre suprafaa solului i apa subteran. Transportul contaminanilor la nivelul zonei vadoase este determinat n primul rnd de deplasarea apei. n regim staionar, micarea apei n mediul poros este descris de ecuaia lui Darcy:q = K ( ) H , z

(4.1)

q reprezentnd volumul de ap ce curge prin unitatea de suprafa, n unitatea de timp (cm3/cm2/zi), K() conductivitatea hidraulic funcie de coninutul volumetric de ap (cm3cm-3), H sarcina piezometric (cm) iar z distana (cm). n mediu nesaturat, conductivitatea hidraulic descrete rapid odat cu scderea coninutului de ap. Ritmul acestei descreteri este determinat de caracteristicile solului i n special de tensiunea sol-ap. Astfel, cu creterea tensiunii sol-ap, conductivitatea hidraulic scade exponenial, observndu-se scderi ale conductivitii cu 10 sau chiar 100 ordine de mrime, pentru mici reduceri ale coninutului de ap. Ecuaia lui Darcy satisface doar regimul de curgere staionar, pentru regim tranzitoriu, aceasta trebuie s fie combinat cu o ecuaie de continuitate: q = , t z

(4.2)

unde t este timpul. Din combinarea ecuaiei (3.1) cu (3.2) rezult ecuaia lui Richards: h = K (h) + 1 . t z z

(4.3)

48

Un alt element important n evaluarea coninutului de ap l constituie infiltrarea acesteia n sol, ca urmare a precipitaiilor, activitii de irigaii, etc. Infiltrarea este determinat frecvent cu ajutorul ecuaiei lui Horton:i = At 1 / 2 ,

(4.4)

unde i este rata de infiltrare (cm/zi), A este un parametru iar t este timpul. Solurile cu un coninut iniial ridicat de ap au o conductivitate hidraulic ridicat i o capacitate de stocare redus pentru apa infiltrat.

4.1 Transferul contaminanilor miscibili Transportul soluiilor nereactive n sol este rezultatul a trei procese ce se desfoar simultan: advecia, difuzia i dispersia. Transportul advectiv (Jm) reprezint micarea pasiv a unei soluii dizolvate n ap. Acest proces este descris de ecuaia urmtoare:J m = qC ,

(4.5)

unde q reprezint fluxul Darcy iar C este concentraia mediat de volum. Transportul prin difuziune (JD) este rezultatul micrii termice naturale a ionilor i moleculelor dizolvate. Acest proces este descris de lega lui Fick:J D = Dm C , x

(4.6)

unde este coninutul volumetric de ap al mediului, Dm este coeficientul de difuziune al mediului poros iar x este distana. Datorit caracterului sinuos al mediului poros, coeficientul de difuziune al acestuia va fi ntotdeauna mai mic dect cel al apei. Transportul dispersiv (Jh) este determinat de variaiile locale de vitez datorate mediului poros, care conduc la o dispersie mecanic. Acest proces este descris de urmtoarea ecuaie:J h = Dh C , z

(4.7)

unde Dh este dispersivitatea.49

Deoarece Dm i Dh sunt similari la nivel macroscopic, frecvent ei se nsumeaz, rezultnd:D = D m + Dh ,

(4.8)

D fiind coeficientul de dispersie longitudinal. Combinnd (4.5), (4.6), (4.7) i (4.8) rezult fluxul de soluie Js:J s = D C + qC . zJ C = s t z

(4.9) conduce la

Ecuaia (4.9) combinat cu ecuaia de continuitate ecuaia general a transportului intr-o dimensiune:C 2C C = D 2 v . t z z

(4.10)

Aceast ecuaie evideniaz dependena transportului soluiilor de difuziune, dispersie i advecie. Atunci cnd viteza apei n pori este mare, procesul predominat este advecia iar cnd aceasta vitez este redus, predomin difuzia. n cazul transportului soluiilor reactive n sol, n afara proceselor prezentate anterior intervin i interaciunile dintre soluie i particulele de sol. Aceste interaciuni cresc capacitatea de retenie a solului i reduc viteza de deplasare a soluiei n mediul poros. Pentru soluiile adsorbite ecuaia de continuitate este urmtoarea:J (C + S ) = s , t z

(4.11)

unde este densitatea global a solului. Combinnd (4.9) cu (4.11) rezult: (C + S ) = D C qC . t z z

(4.12)

ntre concentraia adsorbit i concentraia soluiei se poate stabili o relaie, descris cu ajutorul unei izoterme. O izoterm utilizat este cea a lui Freundlich:S = K f Cn ,

(4.13)

50

unde S este concentraie adsorbit, C este concentraia soluiei, Kf este un coeficient de sorbie iar n este un parametru adimensional. Un alt model frecvent utilizat este cel al lui Langmuir, aceasta pleac de la urmtoarele ipoteze: adsorbia se desfoar doar la nivelul unui singur strat la suprafaa particulei i procesul nu se poate desfura sub acest strat; toate poziiile suprafeei de adsorbie sunt echivalente i ele nu pot gzdui dect un singur atom adsorbit; capacitatea moleculelor de a fi adsorbite ntr-o anumit poziie este independent de starea poziiilor vecine de pe suprafaa de adsorbie. Ca rezultat, acest model este descris de izoterma Langmuir:=k N KP i K = a , = S 1 + KP kd

(4.14)

unde, P presiunea, N numrul de molecule adsorbite, S numrul de poziii de adsorbie, ka constant de adsorbie i kd constant de desorbie. Plecnd de la aceste procese generale ce guverneaz transportul contaminanilor n zona vadoas, n condiiile specifice fiecrei zone, se pot imagina o serie de scenarii care pot lua n considerare existena unui mediu poros omogen sau neomogen i independent de acesta a unui regim de curgere a apei staionar sau tranzitoriu. Situaiile cele mai frecvente sunt caracterizate de existena unui mediu neomogen i a unui regim tranzitoriu determinat de variaiile de alimentare din precipitaii, irigaii, etc. n cazul anumitor poluani, n special a celor biodegradabili (pesticide, hidrocarburi, etc.), procesele descrise trebuiesc cuplate n realizarea unor modele ct mai veridice, cu procesele biologice ce se desfoar n zona vadoas. 4.2. Transferul contaminanilor imiscibili n timpul curgerii polifazice a fluidelor imiscibile, fiecare fluid are la dispoziie pentru a se deplasa o freciune din spaiul poros disponibil. Pentru descrierea deplasrii fiecrui fluid s-a definit permeabilitatea relativ (Kr) ca raport ntre permeabilitatea unui51

fluid aflat la un anumit grad de saturaie i permeabilitatea intrinsec a formaiunii. Permeabilitatea relativ a unui fluid este condiionat de gradul de saturaie i de unghiul de contact dintre fluid i faza solid. Gradul de saturaie al unei formaiuni cu un anumit fluid este definit ca raportul dintre volumul de fluid aflat n porii rocii i volumul total al porilor. Suma gradului de saturaie al tuturor fluidelor aflate n porii unei formaiuni (inclusiv aerul), reprezint 100%. Dup cum un fluid ocup o fraciune mai mic sau mai mare din spaiul poros disponibil, acesta se va deplasa mai greu, sau respectiv mai uor. n cazul unui sistem cu doua componente ap petrol, apa este fluidul ce ud matricea mineral iar petrolul este fluidul care nu ud matricea mineral. Saturaia ireductibil n ap este determinat de coninutul de ap fixat pe suportul mineral solid, aceast ap nu particip la curgere. Dac saturaia ireductibil a apei este depit, permeabilitatea crete, atingnd valoare maxim la saturaia total cu ap (100%). Pentru petrol, exist o saturaie rezidual n petrol sub care petrolul nu se poate deplasa i permeabilitatea sa relativ este nul. O mic parte din petrol, care este solubil n ap, se poate deplasa odat cu apa, chiar sub saturaie rezidual n petrol. Imediat ce saturaie rezidual este depit, petrolul ncepe s se deplaseze i permeabilitatea lui relativ crete proporional cu saturaia, pn la valoare maxim. Deplasarea fluidelor imiscibile, pn n zona de acumulare, se face sub aciunea potenialului de care acestea dispun. Potenialul total al curgerii fluidelor () are dou componente: potenialul datorat presiunii apei din pori ((w)); potenialul datorat poziiei (Z) n care se afl n cmpul gravitaional. = (w) + Z n care w umiditatea formaiunilor. Potenialul curgerii apelor subterane reprezint energia necesar modificrii poziiei i condiiilor de presiune ale unei uniti de mas n cmp gravitaional. (4.15)

52

Cap. 5 VULNERABILITATEA LA POLUARE A APELOR SUBTERANE

n procesul de poluare a apelor subterane particip faza fluid (gazoas sau lichid) i faza solid (terenul). Faza fluid este caracterizat prin: greutatea specific, vscozitatea i gradul de miscibilitate cu apa; iar faza solid prin: porozitate activ i conductivitate. Ptrunderea poluanilor n apa subteran se face prin intermediul zonei vadoase n regim nesaturat i apoi prin filtraie n regim saturat. Un rol important l are starea de agregare a poluantului i solubilitatea sa n ap. n general factorii care controleaz micarea apelor subterane, controleaz i micarea poluanilor n zona nesaturat i n acvifer. Poluanii solizi pot ajunge n apa subteran sub form de soluie, prin intermediul unui solvent (n general apa) sau sub form de particule fine. Poluanii fluizi ajung n acvifer antrenai de apa infiltrat.

5.1. Factorii naturali care influeneaz procesele de poluare a apelor subterane Acetia sunt: coeficientul de conductivitate din legea lui Darcy care exprim att proprietile fazei solide (granulometrie, porozitate, morfologia particulelor, temperatur, etc.) ct i proprietile fazei lichide (densitate, vscozitate, etc.); dispunerea i continuitatea stratelor din care este format mediul geologic, grad de neomogenitate, anizotropie, prezena direciilor prefereniale de curgere, etc. Proprietile fizico-chimice i electrice ale particulelor solide influeneaz difuzia molecular; poziia i caracteristicile hidrogeologice ale acviferului. Grosimea sa poate influena gradul de poluare un acvifer mai gros este caracterizat n general de53

diluii mai mari. Caracteristicile hidraulice direcia de curgere, gradienii hidraulici, influeneaz puternic gradul de poluare; condiiile de alimentare i de drenare naturale ale acviferului pot favoriza sau nu poluarea. Legtura cu apele de suprafa din zon, infiltrarea precipitaiilor, drenarea, pot favoriza sau nu contaminarea apelor subterane.

5.2. Factorii antropici care influeneaz poluarea apelor subterane orice activitate industrial presupune consum de ap, instalaii de captare, tratare, distribuie, epurare, dup caz. n general se admite c o reea de ap perfect etan este foarte costisitoare, drept urmare, n mod frecvent, au loc pierderi lichide sau gazoase datorit neetanetii. Exist msurtori pentru reelele de ap oreneti, care arat c n unele ri foarte dezvoltate industrial i tehnologic, aceste pierderi reprezint 5 10% dar, n alte ri, ele pot ajunge la 20 50%. Este de presupus c pierderile de ap de pe platformele industriale sunt mai mici dect cele din reelele oreneti, datorit lungimii mai mici a reelelor, supravegherii i ntreinerii mai facile. Aceste pierderi de ap se pot infiltra n teren producnd variaii ale nivelelor piezometrice i deci modificri ale direciilor de curgere, condiiilor de alimentare, etc. Construciile hidrotehnice influeneaz ntotdeauna regimul natural al apelor subterane limitrofe n diverse moduri, caracteristice fiecrei tip de lucrare (baraj, lac de acumulare, regularizare, diguri, etc.). Captrile de ap subteran influeneaz n general n mod direct propagarea poluanilor prin creterea gradienilor hidraulici, acestea fiind cu predilecie afectate de poluare. n mod practic factorii care sunt luai n considerare pentru estimarea gradului de vulnerabilitate sunt urmtorii:

54

adncimea nivelului hidrostatic; coeficientul de conductivitate hidraulic; influena proceselor de absorbie; gradienii hidraulici; distana ntre sursa de poluare i zona cercetat. Grade de vulnerabilitate Lund n consideraie influena factorilor, se pot distinge trei grade de vulnerabilitate a mediului la producerea fenomenelor de poluare: Vulnerabilitate sczut, Vulnerabilitate medie, Vulnerabilitate ridicat. Vulnerabilitatea sczut - caracterizeaz acviferele care au n acoperi strate cu permeabilitate foarte mic, practic impermeabile sau strate permeabile, dar cu proprietatea de a reine poluanii. Stratele impermeabile sunt argilele, marnele sau alte depozite cu permeabilitate cel puin egal cu a acestora, dispuse n strate cu dezvoltare continu, neafectate de accidente rupturale i care au o grosime de cel puin 1 m; proprietile lor se pstreaz dac sunt acoperite de soluri cu umiditate permanent i dac sunt evitate excavaiile. n cazul stratelor acoperitoare permeabile dar cu proprieti de reinere a substanelor poluante, la nivelurile cele mai ridicate ale apei n subteran, trebuie s rmn o grosime minim de strat care s asigure reinerea poluanilor astfel: 2,5 m n cazul nisipurilor fine, a nisipurilor slab consolidate sau n cazul unor depozite cu permeabilitate mic; 4,0 m n cazul nisipurilor medii i grosiere cuarifere sau n cazul altor depozite ce nu au permeabilitate mare

55

Vulnerabilitate medie - considerat atunci cnd depozitele acoperitoare menionate mai sus au grosimi inferioare valorilor precizate, avnd un rol suficient de important n ceea ce privete reinerea poluanilor ce ar ptrunde n acvifer. Vulnerabilitate ridicat - considerat atunci cnd stratele acoperitoare lipsesc sau dac grosime lor este mai mic dect cea precizat anterior, iar acviferul este astfel alimentat nct apa subteran nu are asigurat o purificare prin autoepurare. 5.3. Gradul de vulnerabilitate evaluat prin metoda DRASTIC DRASTIC este un model semicantitativ, dezvoltat de US Environmental Protection Agency n anii `80 n scopul evalurii potenialului de poluare al acviferelor (Aller et. al. 1987). Acest model include o serie de parametrii hidrogeologici variai, ai cror caracteristici fizice pot afecta calitatea apelor subterane. Aceti parametrii sunt: Adncimea nivelului hidrostatic (Depth to water table); Alimentarea acviferului (Recharge); Caracteristicile mediului acvifer (Aquifer Media); Caracteristicile solului (Soil Media); Topografia zonei panta (Topography); Caracteristicile zonei vadoase (Impact of the Vadose Zone); Conductivitatea hidraulic (Hydraulic Conductivity). Fiecrui parametru i se atribuie un punctaj ntre 1 i 10, funcie de condiiile locale. Valorile mari corespund unei vulnerabiliti ridicate. Dup stabilirea acestor valori pentru fiecare parametru, ele se multiplic cu un factor (ntre 1 i 5) dependent de importana acelui parametru fa de vulnerabilitatea acviferului. Prin nsumarea valorilor obinute se obine un indice a crei expresie este: Indice DRASTIC = DrDw + RrRw + ArAw + SrSw + TrTw + IrIw + CrCw, unde:

56

Dr = Punctaj acordat funcie de adncimea nivelului hidrostatic; Dw = Factor de multiplicare acordat adncimii nivelului hidrostatic; Rr = Punctaj acordat funcie de alimentarea acviferului; Rw = Factor de multiplicare acordat alimentrii acviferului; Ar = Punctaj acordat funcie de caracteristicile mediului acvifer; Aw = Factor de multiplicare acordat caracteristicilor mediului acvifer; Sr = Punctaj acordat funcie de caracteristicile solului; Sw = Factor de multiplicare acordat caracteristicilor solului; Tr = Punctaj acordat funcie de topografie (pant); Tw = Factor de multiplicare acordat topografiei; Ir = Punctaj acordat funcie de caracteristicile zonei vadoase; Iw = Factor de multiplicare acordat caracteristicilor zonei vadoase; Cr = Punctaj acordat funcie de conductivitatea hidraulic Cw = Factor de multiplicare acordat conductivitii hidraulice. Punctajele i ponderile acestor parametrii sunt:

Adncimea nivelului hidrostatic Adncimea (m) 20 Coeficient DRASTIC 10 8 6 4 1

57

Alimentarea acviferului Adncimea (mm/an) 0 50 50 100 100 175 175 250 > 250 1 3 6 8 9 Coeficient DRASTIC

Caracteristicile mediului acvifer Tip ist argilos Roc magmatic/metamorfic Roc magmatic/metamorfic alterat Gresie i calcar stratificat 5 - 9 cu intercalaii argiloase Gresie masiv Calcar masiv Nisip i pietri Bazalt Calcar carstificat Caracteristicile solului Tip Strat subire sau absent Coeficient DRASTIC 10 49 4-9 49 2 - 10 9 - 10 3-5 Coeficient DRASTIC 13 25

58

Pietri Nisip Turb Agregate umplutur Lut nisipos Lut Praf argilos Argil nisipoas Sol organic, vegetal Argil Topografia Zonei Pant (%) 0-2 26 6 12 12 18 > 18 Conductivitatea hidraulic Conductivitate (m/zi) 100

10 9 8 argiloase, 7 6 5 4 3 2 1

Coeficient DRASTIC 10 9 5 3 1

Coeficient DRASTIC 1 2 4 6 8 10

59

Caracteristicile zonei vadoase Tip Strat impermeabil Silt / argil ist argilos Calcar Gresie cu intercalaii argiloase Nisip argiloase Roc magmatic/metamorfic Nisip i pietri Bazalt Calcar carstificat 69 2 10 8 - 10 28 i pietri prfoase cu 4 8 i intercalaii Coeficient DRASTIC 1 26 2-5 27 48

Gresie i calcar stratificat 4 - 8

Factori de multiplicare DRASTIC Parametru Adncimea hidrostatic Alimentarea acviferului Caracteristicile acvifer 4 mediului 3 Factor de multiplicare nivelului 5

60

Caracteristicile solului Topografia zonei Conductivitatea hidraulic

2 1 3

Caracteristicile zonei vadoase 5

Grade de vulnerabilitate funcie de valorile indicelui DRASTIC Grade de vulnerabilitate a acviferului Sczut Indice DRASTIC Aplicaie Evaluarea vulnerabilitii la poluare, prin metoda DRASTIC a acviferului freatic din zona industrial Pantelimon Parametrul evaluat Coeficientul obinut Factor multiplicare specific parametrului Adncimea NH (5 15 m) Alimentarea (50 100 mm/an) Mediul acvifer (nisip, pietri) Sol (Praf argilos) Pant (0 2%) m/zi) Zona vadoas (prafuri, argile) Valoare indice DRASTIC 3 138 5 15 9 3 8 4 10 5 4 3 2 1 3 45 12 24 8 10 24 de Valoare final 1 100 Moderat 101 140 Ridicat 141 200 Foarte ridicat > 200

Conductivitate hidraulic (50 100 8

61

Valoarea obinut pentru acest indice, ncadreaz acviferul n categoria de acvifere freatice cu vulnerabilitate moderat (101 - 140). Aceast metod de evaluare, bazata pe metoda DRASTIC, este n general folosit pentru regiuni mai extinse. Utilizarea ei la nivelul acviferului studiat conduce la obinerea unor rezultate cu caracter orientativ. O evaluare mai precis poate fi fcut innd seama i de alte particulariti ale sistemului acvifer, ce nu sunt cuprinse in schema de evaluare a metodei DRASTIC. Din analiza datelor ce caracterizeaz hidrostructura, putem diferenia dou situaii particulare, care n acelai timp determin i grade diferite de vulnerabilitate la poluare a acviferelor. Depozitele complexului lacustru (argilo-marnos), de vrst Pleistocen mediu, constituie un ecran impermeabil, despritor pentru cele dou complexe acvifere bine individualizate: complexul superior al acviferelor localizate n Nisipurile de Mostitea i Pietriurile de Colentina; complexul inferior localizat n Stratele de Frteti. Confirmarea influenei ecranului despritor dintre cele dou complexe acvifere i deci slaba legtur hidraulic dintre acestea, este dovedit de depresionarea cu cca. 60 m a nivelului piezometric din complexul inferior datorit exploatrii acviferului. n acest timp nivelul piezometric al complexului superior rmne practic neschimbat. n afara celor doua structuri acvifere menionate, n complexul argilo-marnos exist un acvifer multistrat, cu o dezvoltare spaial preponderent lenticular (datorat structurii litologice de tip ncruciat a acestui complex), format din 3 10 strate acvifere (Fig. 3.12). Acestea au grosimi variind ntre 1 13 m, prezint frecvente efilri iar granulometria rocii colectoare este predominant fin (nisipuri fine sau argiloase, prfoase, mai rar nisipuri medii grosiere). Caracteristicile primului complex acvifer - adncimea redus a nivelului hidrostatic i deci o grosime redus a zonei vadoase, conductivitile hidraulice mari, alimentarea general de tip pluvial (n mic msur din orizontul sub presiune, prin drenan) determin un grad mediu spre ridicat de vulnerabilitate la poluare a acestuia.62

Alimentarea acviferului freatic prin infiltraii din precipitaii (reprezentnd dup cum s-a artat 31% din totalul scurgerii) precum i adncimea redus a nivelului hidrostatic n zonele de lunc (cca. 2 m) determin o vulnerabilitate mare la poluare a apelor subterane freatice n aceste zone. La aceste elemente se adaug i granulaia medie i mare specific acestor depozite de lunc (nisipuri i pietriuri de lunca, de vrst Holocen superior), ce determin o dinamic accentuat a apelor pe vertical. Aceste viteze mari de infiltrare sunt n detrimentul desfurrii unui proces complet de autoepurare n zona vadoas. n zonele interfluviale, datorit prezenei n acoperiul acviferului freatic a depozitelor loessoide, de vrst Pleistocen superior Holocen, caracterizate de granulaie fin (0,063 0,004 mm), dinamica vertical este mult mai redus. n consecin timpul de tranzit al unei particule potenial poluate, ntre suprafaa topografic i nivelul hidrostatic (situat n aceste zone la adncimi de 5- 8 m) asigur un grad mai ridicat de decontaminare n zona vadoas. Astfel se poate considera c n zonele interfluviale gradul de vulnerabilitate a acviferului este mai redus; zona vadoas, prin caracteristicile sale specifice, constituind un element de protecie. Domeniul de descrcare a acviferului freatic l constituie reeaua hidrografic, ea alimenteaz orizontul acvifer numai n situaii rare n care rurile au nivele foarte ridicate, moment n care apele de suprafa pot constitui surse difuze de poluare pentru acviferul freatic. ntre acviferul freatic i acviferul sub presiune inferior (de Mostitea), exist legturi hidraulice la scar local, aceste legturi sunt cauzate fie de lipsa complexului argilelor intermediare din acoperiul acviferului de Mostitea, fie de numeroase foraje abandonate, executate la construirea metroului, care au pus n legtur cele doua acvifere. Aceste legturi existente au afectat calitatea apelor din acviferul de Mostitea, fapt pus n eviden n numeroase probe prelevate. Singurul orizont acvifer caracterizat printr-o calitate superioar a apelor la nivel general, proprie exploatr