Maden Sahalar Õ nda Potansiyel Su Kalitesi ve Kirlilik Hafifletme …kisi.deu.edu.tr/cihan.gunes/madenvecevre_cihan_sevgi... · 2015-12-04 · maden materyallerinin jeokimyasal kimli÷i,

ÖZET: Global ölçekte madencilik çal malar n en önemli çevre sorunu, su kaynaklar üzerinde yaratt olumsuz etkiler nedeni ile olu maktad r. Olumsuz etkileri s rlama amaçl yap land lan Çevresel Etki De erlendirme (ÇED), su kaynaklar etkileyebilecek seviyede kirletici ve asit üretebilen maden materyali potansiyelinin laboratuvar, saha teknikleri ve çe itli tahmin modeli yakla mlar ile de erlendirmelerini içerir.

Sularla ilgili ara rmalar n ba ar nda, veri elde etmek için gerekli prosedürleri uygulayabilmek ve beklentileri kar layabilecek yeterlilikte ortam n do ru, hassas, temsili, geçerli ve yeterli kapsam ve içerikte kavramsalla lmas kritik öneme sahiptir. Günümüzde birçok hesaplama yaz m deste inde yap labilmektedir. Bu durum, uygulamalara ba lamadan gidilecek yol ile ilgili çok önemli öngörülerin yap labilmesini sa layabilir. pH Redoks Dengesi C Dili (PHREEQC) deste inde jeokimyasal modelleme, mühendislik ve bilimsel sorunlar n yakla k çözümlerinin olu turulmas nda çok yararl bir araçt r. ABSTRACT: The most important environmental problems of the mining operation have caused a negative impact on water resources. Environmental Impact Assessment (EIA), the potential of the mined materials to generate acid and contaminants and to affect water resources is evaluated using laboratory and field techniques and a variety of predictive modeling approaches.

Conceptualization of environment within a correct, representative, valid and sufficient scope and context to perform necessary procedures required to obtain data and to meet the expectations is of critical importance in the success of the studies on waters. Today many calculations can be performed with the support of software. This may allow very important projections about the way to be followed before starting the applications. Geochemical modeling with PH REdox EQuilibrium C Language (PHREEQC) is a useful tool for approximate solution to complex problems of scientific and engineering.

Maden Sahalar nda Potansiyel Su Kalitesi ve Kirlilik Hafifletme Etkisini Hesaplayabilir miyiz? Potential Water Quality and Pollution Mitigation Impact of Mines, Can We Calculate them?

Cihan Güne , Sevgi Tokgöz Güne Dokuz Eylül Üniversitesi, Çevre Mühendisli i Bölümü, zmir

1. G

Global ölçekte madencilik çal malar n en önemli çevre sorunu su kaynaklar üzerinde yaratt olumsuz etkiler nedeni ile olu maktad r. ABD Çevre Koruma Ajans (U.S. Environmental Protection Agency, US EPA), (2013) verilerine göre do al ve insan kaynakl kirlilik etkileri bask n olarak metal madencili i (%47), elektrik (%13) ve kimyasallar (%12) nedeni ile olu maktad r. Do al etkiler k saca maden materyallerinin jeokimyasal kimli i, iklim ve su kaynaklar na yak nl na ba olu maktad r. nsan kaynakl etkiler ise var olan bilginin etkin olarak kullan m yo unlu undan (bak aç ) üretilen verilerin temsil, do ruluk ve gerçekleme etkinli ine, yöntem, yakla m, tahmin, olas k, güvenlik ve tasar m hatalar ndan (dü ük anla lm k) saha çevre artlar n yeterince anla lamamas na ba önlem alma tasar mlar ndaki (hafifletme) ba ar zl a kadar geni kapsaml r (Kuipers vd. 2006, Güne ve Tokgöz Güne , 2014).

Sumi ve Gestrin taraf ndan 2013’de madenlerden y ll k olarak kirlilik yaratan su miktar n bilinen 40 madenden 64-102 milyon m3 aral nda, olas 13 ve tahmin edilen 4 madenden ise toplam miktar n 140-180 milyon m3 aras nda oldu u ve sahalarda önemli sorunlar olu turdu u rapor edilmi tir. Kirlilik olu umunda yasal yetersizliklerin yan ra çevre yönetim tasar , mineralojik ve hidrolik karakterizasyon yetersizli ine ba tahmin ve önlem hatalar gibi temel ya da birçok gözden kaçan saha özelliklerine ba hatal kimlik tespitleri bulunmu tur.

Su kalitesi üzerinde jeoloji/mineraller, hidroloji, iklim, temsili arazi ve laboratuvar test program sonuçlar na göre olu turulan tasar m, temsilde kullan lan ile gerçekteki bile en özelliklerinin de imini anlayamama, saha kavramsal, benzetim ve tahmin modeli yap land rmas ve at k yönetim-tasar m etkileri gibi birçok etken bulunmaktad r. Sahadan elde edilen verilere göre belirlenen potansiyel su kalitesi ile olas olumsuzluklar n giderim tahmini (hafifletme) ÇED içeriklerindeki en önemli iki bile endir (Kuipers vd., 2006). letme öncesi ana resmin parçalar olu turan ÇED çal malar ndaki taslak veri ve yüksek belirsizlik, kapan öncesinde (temsili veri ve yüksek kesinlik) temel bir resim olu mas sa layabilecek seviyeye gelir. ÇED içeri inde yap land lan test ve benzetimlerdeki belirsizlik, hata ve s r ko ullar su kalitesinin korunmas nda hatal potansiyel tahmini ve ili kili olarak hafifletmede uygulanan yöntem ba ar zl klar getirdi inden en genel sorunlard r. Günümüzde sorunlar n çözümünde teknik ve bilimsel çal malar n deste inde yeni test tasar mlar , konuya hakimiyeti artt ran saha benzetim modelleri, yeni ÇED içerik öneri ve yasal gereklilikleri gibi sorunlar azaltan yenilikler, artan oranlarda yap land lmaktad r.

Ülkemizde son y llarda inceledi imiz ÇED rapor içeriklerinde sahay dikkate alan çal malar n artmas na ra men su kalitesi çal malar aç ndan oldukça yetersiz durumdad r. Yüzey ve yeralt suyu üzerinde etki yapabilecek fiziksel ve kimyasal etkilerin do as , boyutu ve bu etkileri kontrol alt na alacak mühendislik veya endüstriyel ad mlar tan mlayabilecek içeriklerin artt lmas ilerde kar la labilecek sorunlar azaltabilecek bir durumdur. Hatta baz ÇED içeriklerinde saha benzetim-tasar m, k sa süreli çözünme testleri ile statik ve kinetik testler potansiyel belirleme ve önlem alma amac ndan çok yasal gereklilikleri ve sorun ç kmayaca göstermek amac ile yap land lm r. Testlerde hangi kar m ve reçetelerin ne amaçla denendi i, hangi benzetim artlar n göz önünde bulunduruldu u ve i letme döneminde nas l do rulama ve

gerekli tasar m güncellemeleri ile uzun dönem sürdürülebilir yönetim sa lanaca ve neden sonuç ili kileri belirsizdir. Testlerden elde edilen sonuçlara göre sahada olu mas muhtemel tepkimeler ve bu tepkimelerin nas l yönetilebilece i konusunda al nacak önlem senaryolar (tepkisel bariyerler gibi) bulunmamaktad r. Kavramsal modellerin deste i olmadan i letme döneminde sadece izleme çal malar ile olas sorunlar n çözümünün sa lanmas oldukça zordur. ÇED çal malar n büyük bir

sm nda su kalitesi potansiyel belirleme çal mas yer almamaktad r. Raporlarda olas kalite sorunlar da tan mlanmad ndan gelece e yönelik önlem alma tasar mlar da bulunmamaktad r ya da hedeften uzak genel yap land rmalar eklindedir.

Taraf zdan yap lan çal malar n deste inde güncel teknik ve bilimsel kaynaklardan yararlanarak haz rlanan bu de erlendirme, maden alanlar nda ÇED içeriklerinin olu turulmas nda yard mc olabilecek genel bir anlay ve ili kili su kalitesi problemlerinin azalt lmas nda kullan lan yöntem ve model tasar mlar özet olarak vermektedir. Konu ile ilgili daha detay bilgiler Zhu ve Anderson (2002), Appelo ve Postma (2005), Maest vd., (2005), Kuipers vd., (2006), Bethke (2008), The National Academies Press (2007), Merkel ve Planer-Friedrich (2008), EPA CREM (2009), Bundschuh ve Zilberbrand (2012) ve INAP (2015) gibi kaynaklardan sa lanabilir.

2. KAVRAMSAL ANLAYI

Günümüz teknik ve yasal zemininde maden sahas nda kaz alan ve pasa malzemeleri gibi bile enler ile etkile imde olan yüzey ve yeralt suyu kalitesinin ilksel artlar de tirmeyece inin veya al nacak önlemlerle kalite sorunlar n önüne geçilece i öngörüsüne ba olarak çal labilmektedir. Bu durumda öngörü yapabilmek için sahadaki mevcut durumu anlamal , i letme yöntemlerine göre olas de imleri ve sorunlar tan mlamal , önlem senaryolar olu turularak i letme ve

kapan dönemlerinde gerekli olmas durumunda tahmin ve önlemler güncellenerek uzun dönem koruma artlar uygulanmal r.

Su kalitesi tahmini için bir sistemin ö renilmesi ve en uygun tasar n yap labilmesi öncelikle kavramsal olarak farkl boyut ve ölçekteki verileri farkl seviyelerde alg layabilme becerimiz ve verileri kar la rma (fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçlerin fark ndal nda) ile dü üncelerimizde yaratt z kavram ile ba lar. Herhangi bir dü ünsel (teorik) tasar olmayan bir sistemden (modelden) yararlanma olas n az olmas gibi eksik kavramsal bilgi ile tasarlanan sistemlerde de ba ar ans gözden kaç lan artlar n sistemde oynad rol ile ili kilidir. Pasa, at k ve kal nt materyaller gibi sorun olu turabilecek kaynaklar n sularla ili kileri, al ortam artlar na kadar hafifletme yöntemleri ve nas l bir alg lama-izleme sistemi uygulanabilece i kavramsal tasar n genel elemanlar r.

Su kalitesi tahmini do as gere i çal ma alan ölçe i ve sistemde rol alan bile en miktar , say ve türüne ba olarak oldukça karma kt r. Günümüzde hemfikir olunan son nokta, öncelikle sahaya özel genel tasar m elemanlar kullanarak elde edilen verilerden kavramsal bir veya birkaç bölümlü anlay (model) geli tirmektir. Model, sorun ve çözümlerin sahada nas l belirlenip, do rulan p gerçeklenebilece ine yönelik olarak yap land lacak testlerin temelini olu turmaktad r. En genel yakla m; mevcut do al artlar tan mlama, hidrolik, hidrojeolojik ve jeokimyasal özellikleri belirleme, kavramsal model geli tirme, kütle ak ve girdi-süreç-ç kt dengesini tahmin etme, olas sorunlar ve hafifletme tasar mlar r.

2.1. Kavramsal Model Kurulumu

er bir konuda do ru cevab biliyor iseniz o konuda modele ihtiyac z yoktur. Ancak do ada do ru cevap demek, birçok etkenin sistemde yaratt de imleri ve sonuçlar zamana ba anlamak ve tahmin edebilmek demektir ki bu ortam n karma kl na ve ölçe ine göre de en bir yakla md r. Modelin olu turulma sistemati inin karma kl , test edilebilirli ini zorla rd gibi emek ve zaman gereksinimlerini de artt r. Kavramsal model deste inde su kalitesi çal malar , do al ortamda bulunan jeokimyasal-hidrolik kimlik ve zamana ba i leyi ekli hakk nda bilgi, laboratuvar ve bilgisayar ortam nda benzetim ve test yapmay sa layan altyap ve do ada ve/veya laboratuvar ortam nda verileri gerçekleyebilme gerektirmektedir.

Su kalitesi aç ndan kavramsal model, bir alanda ilgilenilen sistem veya süreçlerin nas l i ledi ini ve hesaplamalarda kullanmak için alandaki jeokimyasal ve hidrolojik artlar gibi birçok etkiyi sade olarak sunan-aç klayan ak lc ve egemen artlar n neden-sonuç ili kisinde bir araya getirilmesidir. ekil 1’de saha

artlar tan mlanmam genel bir kaz gölü kavramsal modeli verilmektedir. letme sonras dönemi yans tan kaz alanlar ve olas göl olu umlar na bak ld nda kavramsal model tan mlamalar olarak ekilsel, kavramsal ve etki-tepki (kat -s ) hareketinin tasar bulunmaktad r. Bu ekil üzerinde konu ile ilgilenen farkl disiplinlerdeki uzmanlar sorunlar n çözümüne yönelik geli tirece i model çal malar nda ortak paydada girdi üretip ç kt lar tart abilir ve kavramsal modeli güncelleyebilirler.

ekil 1. Saha artlar tan mlanmam genel bir kaz gölü kavramsal modeli.

Kaz gölünde olas ak m artlar ve su kalitesi potansiyelinin belirlenmesi ve önlem almak için olu turulabilecek hafifletme etkilerinin tepkimeler seviyesinden itibaren tan mlanmas kavramsal model üzerinden anlam kazan r.

Sahaya özel model kurulumunda farkl ölçek ve boyuttaki do al ve insan kaynakl bile enler belirlenmelidir. Maden i letim yöntemine ba olu abilecek kirlilik kaynaklar n (kaz etkileri, aç k ocak gölü, pasa ve cevher-at k depolama alan , …) belirlenmesi, ili kileri ve ta , saha jeolojisi (litoloji, alterasyon, mineroloji, jeomorfoloji…), hidroloji (sahaya giren ya , yüzey ve yeralt suyu, al konan ve ç kan su dengesi, dolum/ak myolu/bo al m ili kileri…) ve jeokimyas (sahada su/kaya/gaz etkile imine ba olu an temel ve bask n tepkimeler “çözünme/çökelme, asit/baz, sorbsiyon/desorbsiyon, yükseltgenme/indirgenme…”, sülfür oksitlenmesine ba asit olu turma ve metal çözünürlüklerinin belirlenmesi ve veri sa lama) tan mlamalarda kullan lan ana ba klard r. 2.2. Su kalitesi Tahmin Altyap

Su kalitesi tahmininde kullan lan birçok kod olmas na ra men bu çal mada dünya çap nda di er rakiplerine göre yüksek oranlarda ba ar sa layan ve kabul gören PHREEQCI v.3 (Parkhurst ve Appelo, 2013) yaz temel al nm r. Potansiyel su kalitesinin tahmini için alandan üretilen kimlik verileri ile hidrojeolojik ve

jeokimyasal model yakla mlar n kavramsal model tasar nda birle tirilmesi gerekir.

Su kalitesi için en önemli kimlik verileri major element (Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2, Al+3, Mn+2,+6,+7, Zn+2, Cl-, HCO3

-, SO4-2…) kimyas ve ili kili pH-Eh

de imini kontrol eden çözünme-çökelme, redoks (yükseltgenme-indirgenme), sorpsiyon ve katyon de imi gibi bask n süreçlerdir. Atmosferik oksijenin sudaki çözünmesine ba indirgenmesi ve pirit gibi sülfür içeren minerallerin oksidasyonu kalite sorunlar n en genel örne i olarak verilebilir. Bu durumda suda OH iyonlar n kullan lmas na ba olu an Fe türleri ve serbest kalan hidrojen iyonu deri imi nedeni ile olu an dü ük pH, ortamdaki karbonat ve silikat içerikli mineraller taraf ndan tamponlanabilme oran na göre içeri indeki çözünmü içeri i azalt r. Bu tamponlanma sayesinde pH de erinin yükselmesi dü ük pH de erini yaratan Fe, Al, Mn ve sülfat içeri inin çökelme reaksiyonlar ba lat r. Bu reaksiyonlar n birço u anl k seviyede olu abilirken tamponlamay yapan çözünme reaksiyonlar mineralin türü, içeri i gibi kimyasal ve parçac k boyutu (yüzey alan ), yo unlu u ve yap gibi birçok fiziksel ve ortamdaki canl etkinli i gibi biyolojik etkinli in kontrolünde uzun zaman alabilir. Ayr ca sular n ak m yollar boyunca olu an kar mlar ve iyon de imleri majör element deri imlerini denetler. Sular n kar mlar , porsiyondaki pay yüksek olan nötr sular n asit özellikteki sular seyrelterek h zl bir pH yükselmesi sa layarak çökelecek mineral artlar de tirebilir. Örne in metal hidroksitler ya da oksihidroksitler yerine sülfatlar n çökelmesi ortamdaki asit ortam n direncinin daha kolay k lmas ve pH de erinin daha kolay tamponlanmas , dolay ile adsorbsiyon süreçlerini

zland ran ve daha istenen bir su kalitesini sonuçlayabilir. z element kimyas kontrol eden süreçler ise redoks reaksiyonlar , oksianyonlar, yüzeysel kompleksle me yapan anyonik veya katyonik yap elementler, fosfat reaksiyonlar , kat çözelti (solid solitions: k saca çökelen mineral içeri ine farkl katyon ya da anyonlar n kat ), Fe, Mn, Al, Ti, Si içerikli oksitler, hidroksitler, karbonatlar, sülfatlar ve killeri olu turan minerallerdir. Dü ük pH de erleri yüzeylerin tercihli olarak H+ iyonu ile kaplanmas ve dolay ile desorbsiyonu artt rarak adsorbsiyon süreçlerinin olu umunu s rlamaktad r. Bu durumda ortamdaki pH ve Eh yönetimi iz elementleri kontrol eden süreçlerin gerçekle mesindeki en önemli faktörlerden birisidir.

Genellikle yeralt sular nda bu süreçlerden ancak bir veya birkaç tanesi bask n olarak yer al rken asit/yüksek metal içerikli sular n olu umunda oldukça karma k reaksiyonlar bir arada anl k ve/veya uzun zaman sürecinde olu abilmektedir. Oldukça karma k ve fazla say da olan bu süreç ve reaksiyonlar n anla lmas nda

ve modeller içinde olu turularak ileriye dönük tahminler yap lmas nda güncel do al ortamda hangilerinin oldu unu belirleyebilmek oldukça büyük kolayl klar sa layabilir. Ortamdaki kat ve kar mdaki hisselerine göre yüksek kütleli sular n (tipik ya , yüzey ve yeralt sular vb.) temsili karakterleri belirlenmelidir. Bundan sonra ana ba klar halinde; çözünme-çökelme, asit-baz, redoks, sorpsiyon, iyon de imi, yüzeysel kompleksle me ve gaz çözünmesi veya çözeltiden ayr lmas gibi süreçlerin hangilerinin ortamdaki kompozisyonu kontrol etti i model çal malar deste inde tahmin edilebilir. Genel bir model yaz (örne in PHREEQCI, U.S. Geological Survey (USGS) taraf ndan desteklenen ücretsiz yaz md r) ve kimyasal termodinamik veri taban bir araya getirildi inde yukar da anlat lan majör ve iz element kimyas kontrol eden süreçler girdi parametresi olarak tan mlanarak kavramsal modellerde tan mlanan potansiyel su kaliteleri tahmin ve test edilebilir. leriye dönük tahminlerle sürprizlerin azalt lmas , belirlenen olumsuzluklar n boyutu ve maliyeti, planlanan tedbirlerle risklerin boyutunun ve hangi oranlarda azalt labilece inin tasar gibi birçok sorunun çözüm yollar daha i letim a amas ba lamadan yap land labilir.

PHREEQC Interactive yaz (v3.1) süreç gruplamalar ba lang ç artlar , ileri ve geri modelleme, ç kt ve say sal metotlar, stokiyometri ve termodinamik veri ba klar alt nda s flam r. Ba lang ç artlar nda, çözelti ve çözeltiye uygulanabilecek yüzeysel kompleksle me, katyon de imi, denge fazlar , gaz fazlar ve kat çözelti gibi temel süreçler yer almaktad r. leri ve geri modellemelerde, ba lang çta tan mlanan çözelti veya çözeltilere uygulanabilecek kar m, reaksiyon, reaksiyon s cakl , oran, ters model, kinetik, advektif ve tepkisel ta m gibi model yap land rma modülleri ve içsel yap land rma bile enleri yer almaktad r. Yaz mda termodinamik veri taban içeri indeki fazlar n d nda kullan tan ml reaksiyonlarla da çal labilmektedir. Sulardaki çözünmü bile enlerin, tür ve aktiviteleri, yük dengesi, zehir etkisi yaratan türler, tuzluluk ve biyolojik yararlanabilme, pH-Eh ve iletkenlik kar la rmas , mineral doygunluklar , su kompozisyonu ile sahadaki minerallerin dengesi ve kar la lmas , ters kütle denge modellemesi (sahadaki minerallerin su kompozisyonuna katk , farkl karakterli sular n kar mlar ve/veya kar sular n ilksel durumlar na göre kar m oranlar , katyon de imleri) ve ileri kütle denge modeli (ak m yolu reaksiyon modeli) ile termodinamik temelde asit-baz tamponlama ve gelece e yönelik bask n artlar n sürücülü ünde (atmosfere aç k-kapal mineral denge reaksiyonlar …) su kompozisyonunun sorgulanmas ve anla lmas nda gerekli hesaplama çal malar yap labilir.

Model çal malar nda sahadan elde edilen ve model gerekliliklerini sa layan ölçüm, analiz ve gözlemsel veriler tutarl k, geçerlilik, kesinlik, do ruluk-güven, taml k, kar la labilirlik, temsil, anyon-katyon denge hatas , alkalinite-pH uygunlu u, arazi ölçümlerinin uygunlu u ve saha süreç temsil etkinli i gibi birçok de ken PHREEQCI ve excel yaz mlar yard ile bir ön de erlendirmeden geçirilmektedir. Laboratuvar analizlerinde örnek parçalama ve safla rma teknikleri, farkl ölçüm cihazlar ve yöntemleri, matriks de imi yaratan dü ük-yüksek deri imli bile enleri ölçme ve hatalar de erlendirmelerde göz önünde bulundurulan artlard r. Analiz sonuçlar n de erlendirilmesinde laboratuvarlar n birimleri (mg/L, µg/L, mg/kg, µg/kg, ppt, ppb, ppm) nas l belirledi inden farkl birimleri uyumland rmaya ve sonuçlar n tutarl na kadar titiz ve fark ndal kl bir çal ma gözetilmeye çal lmaktad r. Model ayarlamalar , duyarl k, belirsizlik ve geçerliliklerde, farkl risk seviyelerine göre prosedürler uygulanmaktad r. Ayr ca model seçimi ve kullan , yap land rma, geli tirme, de erlendirme ve raporlanmas nda olabildi ince effaf, anla r, sade ve gerekli ayr nt içerikleri bar nd racak bir ekilde olmas na özen gösterilmektedir (NRC, 2007; EPA CREM, 2009).

Modellerde statik ve kinetik test sonuçlar , ortamdaki güncel su kimlikleri, kar mlar ve buharla ma oranlar , mineraller ve gaz içeriklerinin denge-dengesizlik halleri gibi birçok bile en dikkate al nmaktad r. Duyarl n yeterli seviyede sa lanabilmesi için çözünmü içerik de ikli i, farkl zaman ve ya artlar nda (y ll k de im) olu an de imlere dikkat edilmektedir. Belirsizliklerin

önemli sonuçlar yaratmamas için ilgilenilen bile enler baz nda olu an de imlerin kümülatif etkilerine, temsiline, geçerliliklerinin sa lanmas na ve kar la rmalar yap larak gidilen yol ile ilgili güven aral klar na dikkat edilmeye çal lmaktad r. Bask n süreçlerin, reaksiyonlar n ve sonuç kompozisyonlar n belirlenmesinde duyarl k-belirsizlik dengesi kurulmaya çal lmaktad r. Tahmin hatalar azaltmak için model çal ma fark ndal , saha ve model artlar ndaki anahtar süreçlerin gözden kaç lmamas , verilerin tamamlanm k ve uygunluk de erlendirmelerinin yap lmas na dikkat edilmektedir. S rl say da gözlemlenen etkilerin genele yada genel etkinin s rl alandaki temsile etkisinin saha kar la rmal ve gerekli ölçeklerde s rlar n ak m yolu özelliklerinden belirlenmesine çal lmaktad r. Kar la rmalar önceki, günümüz, benzer saha artlar ve literatürde yer alan yol gösterici çal malar dikkate al narak

yap lmaktad r. Su kalitesi ile ilgili ara rmalar n ba ar nda ortam n do ru, hassas, temsili,

geçerli ve yeterli kapsam ve içerikte kavramsalla lmas kritik öneme sahiptir

(Nordstrom, 2012). Sular içinde çözünmü türlerin (Garrels ve Thompson, 1962), çözünmü içeri i de tiren reaksiyonlar n hesaplanmas ndan ve ilk bilgisayar ile hesaplanm reaksiyon yollu modelin kullan lmas ndan günümüze kadar jeokimyasal modellemenin su kaynaklar yönetimi uygulamalar nda su kalitesi de imlerine neden olan süreçleri anlamam zda çok önemli katk olmu tur. Yüzey-yeralt suyu sisteminde olu an reaksiyonlar n anla labilmesi için gerekli en geli mi teknolojik içerikler, ileri ve ters kütle dengesi problemleri, model yap land rma geçmi i, test ve mant ksal olas klar, model gereksinimleri, tahmini ve geçerlilikleri gibi özellikler Plummer vd., (1983), Plummer, (1984), Glynn ve Brown, (1996), Zhu ve Anderson (2002), Glynn ve Plummer (2005), Konikow ve Glynn, (2005), Appelo ve Postma (2005) ve Zilberbrand (2012) gibi birçok ara rmac taraf ndan oldukça geni kapsaml bir ekilde özetlenmi tir.

At ksu, yüzey ve yeralt sular ile ili kili çevresel sorunlar Türle tirme-Çözünürlük (T-Ç), Ters Kütle Dengesi (TKD), leri Modelleme (reaksiyon yollu modelleme, M) ve Tepkisel Ta m Modelleri gibi modeller kullan larak anla labilir ve sorunlara çözüm yollar ara labilir. Bu model türleri günümüzde bilim ve mühendislik alan nda kullan olan en geli mi yöntemlerdir. PHREEQCI, ölçüm ve analiz parametrelerini girdi olarak tan mlanm bir su kompozisyonuna ve termodinamik veri taban na ba olarak, ili kili olas çözünmü iyonik türleri, çözünen ve çökelen kat fazlar n kütle dengesi ve kütle hareketi denklemlerini kullanarak k sa zamanda hesaplayabilir. Çözünmü türlerin aktivite katsay lar Debye-Hückel yakla veya Davis (>0,5 yüksek iyonik iddetlerde) deneysel denklemleri kullan larak hesaplanabilir. Çözünenler ve kat

yüzey aras nda olu abilecek iyon de imleri Gaines-Thomas ba nt kullan larak, olas de tirici miktar , kompozisyonu ve yüküne ba adsorblanabilecek iyonlar ters veya ileri yönde modeller tasarlanarak, çözünmü kompozisyon miktar ve de im s rlar Newton-Raphson metod kullan larak hesaplanabilir. Örne in, ters kütle dengesinde Newton-Raphson metod ile su çözünmü içeri inde katk olan olas mineral çözünme ve çökelme miktarlar ve reaksiyon katsay lar hesaplanarak çözünen-çökelen mineral miktar alternatifleri ile birlikte belirlenebilir.

Türle tirme hesaplar nda s cakl k, pH ve redoks potansiyel (k saca pe, Eh, ortamdaki oksijen k smi bas nc , sudaki doygunluk miktar ve yüzdesi…) ölçümü, suyun kimyasal analizi ve göz önünde bulundurulan elementler için gerekli termodinamik veri çok büyük önem kazan r. Di er model ad mlar n ba lama noktas r ve model sisteminin olu turulup ileri ad mlar n hesaplanmas nda temel te kil eder. Kimyasal analiz ile elde etti imiz çözünmü bile enlerin

konsantrasyonlar (Ca, Mg, Na, K, Cl, SO4, alkalinite, As, B, Fe, Al, Mn,...) ve çözünmü artlar n pH-Eh, oksijenlenme, s cakl k ve temsilde nereyi, ne zaman ve nas l temsil etti i, ortamda olu mas muhtemel türlerin aktiviteleri ve sonras nda

ras ile olas mineral çözünme ve doygunluklar , ters ve/veya ileri yönde kar mlar, mineral ve gazlar ile denge ve dengesizlikleri gibi hesaplar n geçerlili i için suyun örnek al nan ortam istenilen özelliklerde yans tabilmesi hayati öneme sahiptir. Bu nedenle sahada yap lan çal malarda örneklerin temsil etkinli inin sa lanabilmesinden ortam artlar n anla labilmesine kadar farkl ölçek ve boyutta sahaya özel ve de en ko ullara uygun titiz bir gözlem, örnekleme, ölçüm ve analiz program gereklidir.

T-Ç modelleri, dinamik bir sistemin kararl denge halindeki (kabul edilen) hesaplamalar yaparak anl k gaz, mineral ve çözelti aras ndaki kimyasal kütlenin da (iyon ve moleküler türleri) ve mineral doygunluk (SI) görüntüsünü sa lar. Kat , s ya da gaz bir bile enin deri imi türün aktivitesini yans tan direkt ölçüm yada toplam türlerinin aktivitesini sa layan tek bir bile enin ölçümü ile sa lanabilir. Örne in bir gölde veya yeralt suyunda belirli bir derinlikteki suda çözünmü Fe+2 miktar belirlemek için örnek ortam n pH ve redoks artlar zincirleme koruyan bir tasar m ve/veya uygun filtrasyon yöntemleri ile ayr mlanm ve korunmu örnekte ölçüm gerekir. Üstelik örnek çözünmü içeri i iyi bir ar m ile organik ve inorganik içerik aç ndan ölçüm yöntemini bozmayacak ve istenen bile ene giri im yapmayacak özelliklerde olmal r. Herhangi bir ortamdaki pH, Eh, O2, Ec,... ve çözünmü organik inorganik içerik miktarlar gibi temsili ölçüm ve analizler biliniyor ise istenen türler (örne in Fe+2, Fe+3, As+5, As+3, As-3,...) termodinamik temelde çal an PHREEQCI gibi yaz mlar ile hesaplanabilir. Bu hesaplama sistemi ortamdaki artlar n anla labilmesi ve ileriye dönük tahmin yap lmas nda çok önemli tepkimelerin anla lmas ve öngörülerin yap lmas na yard mc olabilir.

TKD modelleri, ilgilenilen her bir kimyasal element ve gaz konsantrasyon de imini dikkate alarak, akiferde ayn ak m yolunda evrimle mi do al (veya kirlenmi ) bir yeralt suyu sonuç kompozisyonunun hangi ilksel bir veya birkaç yeralt suyu veya farkl kimyasal karakterli sular n kar ndan olu tu unun hesaplanmas nda kullan labilir. Dahas sonuç kimyasal kompozisyonunu en iyi aç klayan mineral kütle transferini (su ile etkile imde olan minerallerin çözünme/çökelmeleri), akifer matriksi kat yüzeyi ile su çözünmü içeri i aras ndaki katyon de imini (Ca, Mg, Na, K,… de imi) ve uygun fazlar n (heterojen kimyasal reaksiyonlar, gazlar, vb.,) birlikteli indeki en olas reaksiyonlar n kütle dengesi prensiplerinde anla lmas sa layabilir. Ayn ak m

yolunda oldu u dü ünülen en az iki su örne indeki ölçüm ve analizler ile belirlenmi her bir tür, hangi mineralin çözünme-çökelmesi veya katyon de imi ile ili kisi oldu unu ortaya koyabilecek bir tasar md r. Örne in asit drenaj ile ili kili oldu u dü ünülen bir su örne inde sülfat ve demir çözünmü içeri i pirit minerali ile ili kilendirilerek çözünen pirit miktar alternatifleri ile birlikte belirlenebilir. Hatta bu çözünmenin pH ve Eh üzerinde yaratt etki ve varsa ortamdaki hidrojen iyonu konsantrasyonunu artt ran ve azaltan di er minerallerin çözünmü su konsantrasyonundan elde edilen veriler ile takibi sa lanabilir. Elde bulunan temsili saha verileri ile model sonuçlar n kar la lmas gibi birçok öngörü kan t tasar mlar olu turularak ileriye dönük tahminler sa lanabilir.

Do ada Asit Kaya Drenaj (AKD) ve yeralt suyu gibi karma k sistemlerde çal rken sonuç su kompozisyonunda yer alan ilksel su kar mlar n do ru seçimi, hidrolojik sistemin anla lm k derecesi ve yeterli oranda sistemin kavramsalla lmas , elde edilecek sonuçlar n geçerlili ini de do rudan etkiler. Tepkimeye az giren (inert veya ihmal edilebilir seviyede tepkime veren, örn. klorür) bile enlerin kullan , son su örne ine katk olan sular n oranlar do ru olarak verebilmesine ra men, su-kaya etkile imine ba olu an kimyasal reaksiyonlar kar mdaki sonuç su kompozisyonunda ek belirsizliklere neden olaca ndan yanl seçilmeleri kar mda ve kütle transferinde gerçekte olmayan de imlere neden olabilir. Bu nedenle geni kapsaml sorgulama ve kan ta dayanan izleme tasar ml ve yarg lay , sahaya özel çal ma program gibi güncellenebilen bir yap land rma kullan lmal r.

M, termodinamik s rlarda i leyen veri taban kullanarak yeralt suyu sisteminde bir ak m yolu boyunca olu an tepkisel süreçlerin ve buna ba ortaya

kan kimyasal kompozisyonun tahmininde kullan r. Ak m yolu boyunca olu an denge ya da tersinmez (organik madde oksidasyonu, sülfat indirgenmesi, silikat minerallerinin çözünmesi, bas nçl akiferde gaz çözünümü veya kay plar ) kimyasal reaksiyonlar n sürücülü ünü çözünme/çökelme, katyon de imi, sorpsiyon, gaz etkinli i, kar m ve pH-Eh de imi gibi süreçler üstlenir. Ortama uygun bask n süreçleri, mineral ve/veya kirlilik kaynaklar n olas miktarlar ve termodinamik s rlar tan mlayarak suyun kazand kimli in kavramsal olarak tahmin edilebilmesi ve modelden elde edilen sonuçlar n gerçekte gözlemlenen veriler ile kar la labilmesinin, ortam n anla lm k seviyesine yüksek oranda katk sa layaca a ikârd r. Ayr ca, TKD sonuçlar , yeralt suyu sistemindeki tahmin için gerekli M girdilerinin olu turulmas na çok büyük katk sa layabilir.

2.3. Su Kalitesi, Hafifletme ve zolasyon Temeli çin Birkaç Örnek

Sülfür mineralleri içeren pasan n mineral içerik, oran ve da na göre olu turulan depolama ekli iklimsel özelliklerden konuya bak aç na kadar birçok etki alt ndad r. Önemli olan sahada depolamaya ba olu abilecek bask n etkileri anlayabilmek ve önlem alabilmekten geçmektedir. Elberling ve Nicholson’un (1996, Appelo ve Postma, 2005’den al nt ) yapt çal ma konuyu temel seviyede bilimsel bir bak aç ndan aç klay bir ekilde özetlemektedir. 0,33 mmol O2 içeren (10,6 mg/L) bir yeralt suyu denklem 1’e göre oksijenini tüketerek 18,2 mg SO4

-2 (4/7x0,33=0,19mmol) ve 5 mg Fe+2 (2/7x0,33=0,09 mmol) çözebilmektedir. Ancak bu durum oksijen difüzyonunun olmad hava izolasyonunun ba ar oldu u artlarda geçerlidir.

(1) ekil 2’ye göre uygun geçirimsizlik artlar nda pasa alanlar nda özellikle

yüzeyin 60 cm alt nda oksijen difüzyon ve advektif ta yüksek oranlarda rlanabilmektedir. Toprak zeminde ise, yüzeyden 40 cm altta oksijen

doygunlu u s ra yak n olabilmektedir. Bu durumda oksijen difüzyonunu rlayan ve artt ran süreçlerin fark ndal nda iyi bir pasa yönetim plan ile suda

çözünmü olarak ta da dahil s rland labilir ise asit sular n olu ma riski yüksek oranlarda engellenebilir, s rlanabilir yada kontrol alt nda tutulabilir.

ekil 2. Cevher at k alan nda sülfür (S-2) oksidasyonu: solda O2 konsatrasyonu ve sudaki doygunluk yüzdesi, sa da ise kat faz içindeki a rl kça sülfür da (Elberling ve Nicholson, 1996)

FeS2+7/2O2+H2O => Fe+2+2SO4-2+2H+

Bir di er örnek Appelo ve Postma’dan (2005) framboidal pirit oksidasyonunun pH ve oksijen konsantrasyon de imlerine göre verdi i tepkiyi görebilmek için tasarlanm r. Örne in denklem 2 temel al narak pH 7 de erinde, 0,4 m2/g yüzey alan ve 0,3 mmol O2 ortam nda maksimum 7 mmol (0,840 g) FeS2/(g pirit)/y l okside olurken ayn oksijen ve pirit varl nda ancak pH 2 de erinde maksimum 1,7 mol (204 g) FeS2/(g pirit)/y l ve oksijensiz artlarda ise (Fe(OH)3:FeS2=14:1 elektron dengesi ile) 0,38 mmol (0,045 g) okside olabilmektedir.

(2) Andersen vd., (2001) al nan bir di er örne e göre pirit içeren doymam akifer

zonunda asit olu um süreçlerinin engellenmesinde oksijen difüzyonunun rlanmas yan nda nötrleme tepkimelerinin olu abilmesinin de çok büyük önemi

vard r. Durgun artlarda yüzeyin hemen alt nda olu an nötrleme tepkimeleri oksijen tüketirken, karbondioksit üretip birlikteli inde ortamdaki azot miktar n daha da artmas sa layarak geçirimsiz bir gaz bariyer olu mas sa layabilir

ekil 3). ekil 3. Doygun olmayan akifer zonunda (sedimentler aras ndaki gözeneklerde)

pirit oksidasyonu ve nötrlenme tepkimeleri s ras nda geli en gaz faz kompozisyonlar . Ba lang ç gaz hacmi 21,3 ml (%8 O2 ve %92 N2), gaz/su oran n 3:1, sediment miktar 82,79 kg ve pirit içeri i 1,59 mmol/kg (%0,02). Semboller deneysel verileri, çizgiler ise PHREEQC ile yap lm model sonuçlar temsil etmektedir (Andersen vd., 2001, Appelo ve Postma, 2005’den al nt ).

2.4. Örnek Su Kalitesi ve Hafifletme Etkisi Tahmini

Laboratuvar testleri saha ortam nda bulunan minerallerin tepkiselli inin artt lm ve süreçlerin h zland lm artlar içermektedir. Bu nedenle elde edilen sonuçlar

FeS2+15/4O2+7/2H2O => (Fe(OH)3+2SO4-2+4H+

arazi artlar nda olu abilecek sorunlar en geni aral kta görebilme ve buna göre kapsaml önlem tasar yap lmas esas na dayanmaktad r. Örne in pasa alan ile etkile imi olabilecek ya sular n k sa ve uzun dönemli su kalitesi üzerinde malzeme fiziksel-kimyasal özellikleri ve depolanma ekli, yüzey özellikleri, ya miktar ve kalite özellikleri, yüzey ak ve içine filtrasyon, suyun hareketi s ras nda kar la mineral s ras , içeri i ve kar mlar gibi birçok ana ve alt bile en etki edebilmektedir. Bu durumda testlerden elde edilen sonuçlar n saha artlar ndaki yap land rmaya çok önemli katk olur. Tahminlerde en dü ük pH de eri ve yüksek çözünmü içerik olu umu gibi olumsuz artlar ve h zl tepkime oranlar kullan larak en kötü benzetim artlar na göre çevreyi koruyan bir tasar n neleri gerektirdi inin anla lmas , sürpriz, kaza veya gözden kaçan artlar n

rlanmas nda oldukça önemli öngörü ve avantajlar sa lamaktad r. Statik testlerde temel amaç ne kadar asit ve nötrleme potansiyeli oldu u, kinetik

testlerde ise çözünme-oksidasyon oran ile zamana ba davran anlamakt r. Her iki test tasar en basit bak aç ile belirli oranlardaki su-mineral kar n hangi sonuçlar (ölçüm-analiz-kar la rma) üretti ine yo unla sa da gerçekte tasar mda eklenen mineral oranlar na göre olu an su kalitesinin nedeni sorgulan r. Örnek çal ma olarak Balya (Bal kesir) Pb-Zn maden at klar ndan al nan 9 gram

ütülmü pasa örne i 1 litre saf suya a amal ilave (su:kaya 111:1) edilerek suyun kapsaml ölçüm ve analizleri yap lm r (Çizelge 1 Kalite Testi, KT). Elde edilen analiz sonuçlar ndan hangi minerallerin hangi oranlarda çözünme-çökelim reaksiyonlar olu turarak su kalitesini olu turdu u ve olas sorunlar azaltan basit bir tasar m benzetimi yap lm r. Model PHREEQCI v3.1 yaz ile wateq4f.dat ve phreeqc.dat termodinamik veri tabanlar kullan larak pirit, jips, kalsit, halit, jurbanit, siderit, amorf (a) Fe(OH)3 ve Al(OH)3 mineral denge katsay ve entalpi de erleri ile CO2 (SI -3) ve O2 (SI -7) gaz dengeleri dikkate al narak yap land lm r (Çizelge 1). Ters ve ileri kütle denge model girdileri altta verilmektedir.

Örnek pasa sahas nda uzun y llard r atmosferik artlar alt nda kalm /olu mu sert kabuk içinden (oksidasyon zonu) al nm r. pH ve su kalitesi üzerindeki etkin artlar anlayabilmek ve model çal malar nda kullanabilmek için hem literatür

verilerinden (Karadeniz, 2009; im ek vd., 2012; Balc vd., 2014) hem de ayr nt arazi ve laboratuvar çal malar ndan yararlan lm r. KT analiz sonuçlar na göre pH 5,1 de eri kar mda kat /su oran n yakla k 1/100 olmas nedeni ile oldukça yüksek ölçülmü tür. Di er benzer testlerde kat /su oran 1/1 ile 1/20 aras nda de mektedir. PHREEQC yaz ile ayn çözünme oranlar korunarak yap lan hesaplamada su/kat oran 1/1 oldu unda pH 2,74 ve 1/20’de ise 3,47 olarak

hesaplanm r (ayn numuneden yap lan testlerde bu sonuçlar desteklemektedir). Su çözünmü içeri i Ca, SO4

-2 tipinde, do al su kaynaklar ile yüksek miktarlarda kar mas durumunda zehir etkisi yapabilecek seviyede Al, Fe, Mn ve Zn elementlerini içeren türleri bar nd rmaktad r. Bu durum sahada su yosunlar n ya amas olanaks z k lmas ile de do rulanm r. Türle tirme model sonuçlar ndan elde edilen mineral doygunluklar na göre çözelti jips (gypsum, CaSO4) ve jarosit ((H3O, K)Fe3(SO4)2(OH)6) minerallerine a doygun jurbanit (AlSO4OH) minerali ise doygunluk seviyesinde veya hemen alt ndad r.

Al nan örne in mineral tan mlama (tür ve miktar) analizleri olmamas na ra men sahada yap lm çal malardan oksidasyon zonunun jips, jurbanit, siderit (FeCO3), pirit (FeS2) ve kalsit (CaCO3) gibi mineralleri içerdi i belirlenmi tir. Bu durumda çözeltideki su kalitesinde etkin olan çözünme tepkimeleri ters kütle denge modeli ile tan mlanmaya çal lm r (Çizelge 2).

Çizelge 1 model çal malar nda kullan lan sular n fiziksel ve kimyasal özellikleri (analiz birimi ppm’dir) Tan m pH Na K Ca Mg Cl SO4

-2 Si Al Fe Mn Saf su 5,75 0,06 0,09 0,14 0,05 0,8 0,1 0,01 0,2 0,01 0,001

KT 5,1 0,1 0,3 688 1,1 1 1710 0,6 2,2 1 1,5 leri

Model 6,4 0,1 0,09 591 0,05 0,7 1372 0,3 0,14 0,001 0,001

Ters kütle model girdileri

Model sonuçlar na göre suda bask n çözünme tepkimeleri s ras ile jips ve/veya kalsit, oksijen, pirit, karbondioksit, jurbanit, anortit ve halit, siderit minerali çökelme ve gaz kaç olarak karbondioksit hesaplanm r. Saha artlar nda yo un

INVERSE_MODELING 1 -solutions 1 0 # çözelti 0 safsu, 1 ise Kalite Testi -uncertainty 0.1 0.1 -phases Halite Gypsum dis # çözünme Jurbanite CO2(g) O2(g) Siderite Pyrite Calcite dis # çözünme -minimal -tolerance 1e-010 -mineral_water true

olarak jips gözlenmesi nedeni ile 2 ve 3 numaral model sonuçlar dikkate al nd nda pH de erini oldukça dü ük seviyede çözünen pirit (0.16-0.089 mmol/L) kontrol etmektedir. Bu durumda dü ük oksijen ve karbondioksit harcanarak dü ük miktarlarda siderit çökelimi su kompozisyonunu sa lamaktad r. Ancak sahada derin zonlarda oksijen yetersizli ine ba siderit çökelmesinin gözlenebilecek olmas na ra men deneyin laboratuvarda atmosferik artlara aç k olmas nedeni ile Fe suda +2 de erlikli olmaktan çok +3 de erlikli olarak bulunabilir. Bu nedenle model girdi artlar amorf Fe(OH)3 ve Al(OH)3 içerecek ekilde geni letildi inde model ç kt say 6’ya yükselmi tir (Çizelge 3). Yeni

model ç kt lar nda pH denetiminin pirit çözünmesi yan nda (1 ve 3 numaral modeller) Fe ve jurbanit çözünmesi nedeni ile olu an Al hidroksit çökelimleri taraf ndan kontrol edilebilece i söylenebilir. Ayr ca do al ortamda kalsit varl tespit edilmi olmas na ra men çözelti H+ iyonu konsantrasyonunun (0,15 mmol/L) yeterince tamponlanmam olmas (model sonucunda 0,14 mmol/L kalsit çözülebilece i tahmini) nötrleme potansiyelinin az oldu unu göstermektedir. 1 ve 3 numaral modellerde dü ük oranlarda oksijen harcan rken karbondioksit etkinli inin olmamas ortamda gaz bariyer olu umunu engelledi ini göstermektedir. Çizelge 2. Ters kütle dengesi model sonuçlar na (mol/L) göre olas mineral çözünme (pozitif say lar), çökelme (negatif say lar) ve gaz reaksiyonlar (negatif say lar gaz kaç , pozitif harcanan gaz miktarlar ). Model Jips Kalsit O2(g) Pirit CO2(g) Jurbanit Anortit Halit Siderit

1 1.72E-2 3.05E-2 8.69E-3 -8.53E-3 6.67E-5 4.92E-6 1.62E-6 -8.67E-3

2 1.72E-2 4.04E-4 8.90E-5 7.19E-5 6.67E-5 4.92E-6 1.62E-6 -7.19E-5

3 1.71E-2 1.44E-4 6.56E-4 1.61E-4 6.67E-5 4.92E-6 1.62E-6 -1.44E-4

Balya maden at klar n döküldü ü alanda geçmi atmosferik artlar n yaratt yatay ve dü ey zonlanmalar olu an su kalitesi üzerinde do rudan etkilidir. Model tasar mlar nda kat karakterizasyonuna ba de en her bir zonun ve varsa ortamdaki temsili su karakteristiklerinin yaratabilece i etkileri tahmin edebilmek için her zon ayr mlanmal r. Bu model çal mas nda sadece at klar üzerinde olu an oksidasyon zonu incelenmi tir. Sahada iddetli ya durumunda bu model çal mas ndaki pH ve su kalitesine benzer (h zl ak artlar na ba seyrelme etkisi) sonuçlar olu abilecek iken dü ük ve uzun süreli ya artlar nda dü ük pH ve yüksek çözünmü madde içeren sular sonuçlayabilir. Ancak literatür ve saha gözlemlerinden elde edilen bilgilere göre iddetli ya durumlar nda erozyon etkisi ile at klar ask da kat olarak çok uzun mesafelere ta nmaktad r.

Sadece bu örnek dikkate al narak ters kütle denge model sonuçlar sorgulayabilmek ve kimyasal bariyer olu umuna katk da bulunabilmek için üst zona kalsit kar lan bir ileri model olu turulmu tur. Modelde ters kütle denge modelinden elde edilen çözünme oranlar , ya suyu ölçüm ve analizi ile kalsit minerali girdilerde tan mlanarak pH yükselimine ba olu abilecek su kalitesi ara lm r. Hesaplamalar termodinamik temelde çal an veri taban kullanan ileri model tasar nda (tepkisel yollu model – titrasyon modeli) atmosfere aç k ve denge artlar na ula oldu u varsay ile yap lm r.

Çizelge 3. Ters kütle denge model sonuçlar na göre (mol/L) olas mineral çözünme (pozitif say lar), çökelme (negatif say lar) ve gaz reaksiyonlar (negatif say lar gaz kaç , pozitif harcanan gaz miktarlar ).

leri model girdileri

Model sonuçlar na göre Ca (591 mg/L) ve SO4-2 (1372 mg/L) konsantrasyonu

oldukça dikkat çekici seviyede dü ük hesaplanm r. Bu durum termodinamik veri taban ve/veya su analiz hatas ndan kaynaklanabilece i gibi jips minerali kaynakl çözünme d nda farkl minerallerinde çözünerek içeri e katk sa lamas gibi birçok nedene ba olabilir ( ekil 4). Su çözünmü içeri inden elde edilen analiz sonuçlar örnek al ndan, uygulanan analiz yöntemi, majör ve iz element bile en türü gibi birçok etkene ba yüzde oranlarda de en hata oranlar na sahiptir. Bu durumda örnekte analiz hatalar ve tutarl k analizleri gibi çal malar n

EQUILIBRIUM_PHASES 1 #dengedeki mineral ve gaz fazlar Al(OH)3(a) 0 0 Anorthite 0 4.9e-06 #mol/L Fe(OH)3(a) 0 0 Gypsum 0 0.0172 #mol/L Halite 0 1.6e-06 #mol/L Jurbanite 0 0.00021 #mol/L Pyrite 0 1.7e-05 #mol/L O2(g) -7 10 # SI -7= %21 oksijen CO2(g) -3.5 10 # SI-3.5 = %0,0035 karbondioksit REACTION 1 # Calcite 1 # kalsit minerali ve ba l stokiyometrisi 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 milimoles

yap lmas n çok büyük önemi vard r. Örne in analiz sonuçlar n hatas z oldu u varsay r ise çözeltideki sülfat miktar na (1710 mg/L) ula abilmek için çözünmesi gereken pirit miktar 1,9 mmol/L veya e de eri sülfat ve Ca içeren bir veya birkaç mineral olmal r. E er çözünen pirit ise bu durumda Ca art ve istenen pH de erine gelebilmek için örne in Ca içeren kalsit minerali (2.2 mmol/L) de çözünmelidir. Bu durum gerçekle ti ise, asit ve nötrleme potansiyelinin belirlendi i statik test sonuçlar ndan do rulanabilir. Bulmaca parçalar n birle tirilerek büyük resmin anla lmas ortamdaki artlar n nas l yönetilebilece ine dair önemli öngörüleri alternatifleri ile birlikte sa layabilir.

ekil 4. Ters kütle denge model sonuçlar ndan (mg/L) elde edilen verilere kalsit minerali ekleyerek ileri model girdisi olu turulmu tepkisel yollu titrasyon model sonuçlar . Ca (591 mg/L) ve SO4

-2 (1372 mg/L) ikincil ekseni di er bile enler ilk ekseni kullanmaktad r 3. SONUÇLAR

Günümüzde global ölçekte madencilik çal malar n en önemli çevre sorunu su kaynaklar üzerinde yaratt olumsuz etkiler nedeni ile olu maktad r. Ülkemizde son y llarda inceledi imiz ÇED rapor içeriklerinde sahay dikkate alan çal malar n artmas na ra men su kalitesi için potansiyel belirleme ve hafifletme etkisi yaratma tasar mlar nda oldukça yetersizdir. Mevcut ÇED içeriklerinin büyük bir k sm

letme döneminde sadece izleme çal malar ile olas sorunlar n çözümünü sa layaca belirtmektedir. Raporlarda potansiyel kalite sorunlar belirlenmedi inden gelece e yönelik önlem alma tasar mlar da (hafifletme) çok genel tan mlamalar seviyesinde kalmaktad r. Örne in pasa izolasyonunda, oksidasyon zonunda hangi tepkimeler ile ne tür asitli sular n olu abilece i ve hangi

nötrleme tepkimeleri ile fiziksel ve kimyasal bariyerlerin olu mas n beklendi i ve bunun i letme döneminde hangi ara rma, izleyici bile en ve tasar m güncellemeleri ile kapan sonras döneme haz rlanaca belirsizdir. Su kalite çal malar nda kullan lan birçok yaz m ve yöntem olmas na ra men, en yayg n ve kapsaml kullan m potansiyeli PHREEQC yaz ile kütle denge modelleridir. Çal malarda saha kavramsal modeli geli tirerek amaç-süreç-sonuç tan mlamalar içeren temsili veriler (saha, laboratuvar…) elde edilmesi ve kabul edilebilir su kalitesi tahmin modellerinin geli tirilmesi en temel basamakt r. Model sonucunda elde edilen tahminlerin duyarl k ve belirsizlik de erlendirmeleri ile potansiyel tahminlerinin ve olas hafifletme etkilerinin tan mlanmas gerekir.

ÇED kapsam nda sahada pasa malzemesinin yaratabilece i olumsuz etkilerden kaz gölü su kalitesinin belirlenmesine ve hangi tip izolasyon, tepkisel bariyerler ve hafifletme tasar mlar gibi çal malar n sorunlara nas l ve ne oranda çözüm olabilece i gibi birçok konunun temel seviyede çözümü saha özelinde elde edilen ön verilerin de erlendirilmesinden ba lamaktad r. letme dönemi, ÇED içeri inde öngörüsü ve tahminleri yap lm çal malar n gerçeklenmesi ve güncellenmesi ile uzun dönem tasar mlar n yap land lmas safhas r. Harmanlama ve enkapsülasyon gibi izolasyon, kaz gölü dengeleme ve/veya doldurulmas gibi potansiyel belirleme, hafifletme ve tepkisel bariyer tasar mlar n ara rma ve geli tirme çal malar olmadan izleme çal malar ile uzun dönemli korunman n ba ar lmas oldukça tesadüfidir.

Maden alanlar nda kavramsal olarak girdi, olu an süreçler ve ç kt verilerinin tasar n iç yüzünü kavrayabilecek altyap ve alana özgü veri bilgisinin yeterlili i ve bu bilginin en uygun maden i letme tasar olu turmada kullan labilmesi ba ar için en temel esaslard r. Tasar n ba ar ans , gözden kaç lan artlar n sistemde oynad rol ile ili kilidir. Bu durumda, öncelikle sonuçlar tahmin edilebilecek ölçekte veri içeren teorik kavramsal bir i letim tasar n olu turularak bu tasar n deneysel olarak laboratuvar ve arazi artlar nda test edilmesi ve alana özel de en artlara adapte olabilecek bir

kavramsal model olu turulmas çevresel aç dan olumsuz artlar n öngörülerek zaman nda önlem al nabilmesini sa layacakt r.

Suyla ilgili çevre problemlerinin birço u çözünen konsantrasyonunun zaman ve mekanda tahmini veya bilgisine ihtiyaç duyar. Gelece in tahmini s kl kla bilimsel çal malar n bir parças r ve tahminin do rulu unu gelecek geçmi oluncaya kadar belirlemek zordur. Bu tür bir tahminin zorlu u hem yüksek miktarda veri birlikteli i gerektirmesi hem de gelecekteki artlar ile ilgili belirsizliklerdir. lave olarak, çevresel artlar ve maden aras ndaki do al de kenlik kirlili in

hafifletilmesinde kullan lan tekniklerin genelleme yap larak tüm maden alanlar nda etkin bir metod ile uygulanabilirli ini de olanaks z k lmakta sahaya özel çözümleri gerektirmektedir.

Tahminde kullan lan yakla mlar ve temel karakteristikler devam eden bir geli im içerisindedir. Genellikle madencili in tüm safhalar nda; kat ve su karakterizasyonu için gözlem, örnek ve analizler, asit-baz kimli i, statik-kinetik testler, hidrolik özellikler, yüzey ve yeralt suyu testleri, maden at klar için kesikli testler, ba ka alanlardaki madenler ile benze imler, alana özgü tan mlay testler, su kalitesi ve miktar için say sal modeller ile tahmin ve gözlemlerin kar la rma, do ruluk, geçerlilik, etkinlik analiz ve de erlendirmeleri uygulanmaktad r.

Kullan lan metotlar n güvenilirli i, potansiyel su kalitesi ve hafifletme etkileri tahminleri çal malarda ba ar do rudan etkileyen parametrelerdir. 15.07.2015 tarihinde yay mlanan ve Temmuz 2016 da hayata geçirilecek olan 29417 Say Maden At klar Yönetmeli i burada bahsi geçen çal malar zorunlu k lmaktad r.

KAYNAKLAR

Andersen, M.S., Larsen, F. and Postma, D., 2001. Pyrite oxidation in unsaturated aquifer sediments; reaction stoichiometry and rate of oxidation. Env. Sci. Technol. 35, 4074–4079.

Appelo CAJ, Postma, D., 2005. Geochemistry, Groundwater and Pollution. 2nd edition, CRC Press, Balkema; Rotterdam, 668 p.

Balc , N., Ç., Gül S., K ç, M., M., Karagüler N., G., Sar , E., Sönmez M., ., 2014. Balya (Bal kesir) Pb-Zn Madeni At k Sahas n Biyojeokimyas ve Asidik Maden Drenaj Olu umuna Etkileri Biogeochemistry of Bal kesir Balya Pb-Zn Mine Tailings Site and Its Effect On Generation of Acid Mine Drainage. Türkiye Jeoloji Bülteni, Cilt 57, Say 3, A ustos 2014.

Bethke, C.M., 2008. Geochemical and Biogeochemical Reaction Modeling 2nd edition, Cambridge University Press, NewYork, 543 pp.

Bundschuh, J., (Ed.), Zilberbrand, M., (Ed.), 2011. Geochemical Modeling of Groundwater, Vadose and Geothermal Systems. CRC Press, 321 p.

D. Kirk Nordstrom, (2012). Models, validation, and applied geochemistry: Issues in science, communication, and philosophy, Applied Geochemistry, Volume 27, Issue 10, Pages 1899-1919

Elberling, B. and Nicholson, R.V., 1996. Field determination of sulphide oxidation rates in mine tailings. Water Resour. Res. 32, 1773–1784.

EPA, 2013 Toxics Release Inventory (TRI) National Analysis 2013: Releases of Chemicals ww2.epa.gov/toxics-release-inventory-tri-program/2013-tri-national-analysis Updated January 2015

EPA CREM, 2009, Guidance on the Development, Evaluation, and Application of Environmental Models, Council for Regulatory Environmental Modeling, U.S. Environmental Protection Agency Washington, DC 20460.

Garrels and Thompson, 1962 “A chemical model for seawater at 25 C and done atmosphere total pressure”. Amer. J. Sci. 260, 57-66.

Glynn, P., Brown, J., 1996. “Reactive transport modeling of acidic metal-contaminated ground water at a site with sparse spatial information”, Ch. 9. In: Lichtner, P.C., Steefel, C.I., Oelkers, E.H. (Eds.), Reactive Transport in Porous Media, Reviews in Mineralogy, vol. 34. Mineralogical Society of America, Washington, DC.

Glynn, P.D., Plummer, L.N., 2005. “Geochemistry and the understanding of groundwater systems”, Hydrogeol. J. 13, 263–287.

Güne C., and Tokgöz Güne , S., 2014. Inverse and Forward Hydrogeochemical Modeling of Acid Mine Drainage. 14th International Mineral Processing Symposium & Exhibition, Ku adas , Ekim 2014, s 903-916.

INAP, 2015 The International Network for Acid Prevention, http://www.gardguide.com/index.php?title=Main_Page

Karadeniz M., 2011. Bal kesir-Balya- Kur un-Çinko Madeni Flotasyon Art klar n Asit Maden Drenaj Olu um Potansiyelinin Derinlikle De iminin Ara lmas . Doktora Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Maden Mühendisli i ABD, Ankara

Konikow, L.F., and Glynn, P.D., 2005, Modeling groundwater flow and quality. In Selinus, O. (Ed.), 2nd edition, Essentials of Medical Geology: Springer-Verlag, p. 727-754.

Kuipers, J. R., Maest, A.S., MacHardy K.A., and Lawson G. 2006. “Comparison of Predicted and Actual Water Quality at Hardrock Mines: The reliability of predictions in Environmental Impact Statements.” Earthworks, Washington, D.C., 196 pp.

Maest, A.S., Kuipers, J.R., Travers, C.L., and Atkins, D.A., 2005. Predicting Water Quality at Hardrock Mines: “Methods and Models, Uncertainties, and State-of-the-Art” (http://www.earthworksaction.org/pubs/PredictionsReportFinal.pdf).

Merkel, B., and Planer-Friedrich B., 2008. Groundwater Geochemistry: A Practical Guide to Modeling of Natural and Contaminated Aquatic Systems Edited by Darrell Kirk Nordstrom 2nd Edition, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg.

Nordstrom, D., K., 2012. Models, validation, and applied geochemistry: Issues in science, communication, and philosophy, Applied Geochemistry, Volume 27, Issue 10, Pages 1899-1919.

NRC, 2007. National Research Council, Models in Environmental Regulatory Decision Making. Washington, DC: The National Academies Press, 286 p., ISBN: 978-0-309-11000-6 http://nap.edu/catalog.php?record_id=11972

Parkhurst, D.L., and Appelo, C.A.J., 2013. Description of input and examples for PHREEQC version 3—A computer program for speciation, batch-reaction, one-dimensional transport, and inverse geochemical calculations: U.S. Geological Survey Techniques and Methods, book 6, chap. A43, 497 p., available only at http://pubs.usgs.gov/tm/06/a43/ .

Plummer, L.N., 1984, “Geochemical Modeling: A Comparison of Forward and Inverse Methods” Proceedings First Canadian/American Conference on Hydrogeology, Practical Applications of Ground Water Geochemistry, Banff, Alberta Canada, Published by National Water Well Association Worthington, Ohio, U.S.A.

Plummer, L.N., Parkhurst, D.L., Thorstenson, D.C., 1983. “Development of reaction models for ground-water systems”, Geochim. Cosmochim. Acta 47, 665–686.,

im ek, C., Gündüz O., Elçi A., 2013. Terkedilmi Balya (Bal kesir) Pb-Zn Maden At klar n A r Metal ve Do al Radyoaktivite çeri i ve Çevre Kalitesi Aç ndan De erlendirilmesi. Mühendislik Bilimleri ve Tasar m Dergisi Cilt:2 Say :1 s.43-55.

Sumi, L., and Gestrin B., 2013. Polluting the Future: How mining companies are contaminating our nation’s waters in perpetuity. Earthworks, 52 p., www.earthworksaction.org

Zhu C., Anderson G. M., 2002. “Environmental Applications of Geochemical Modeling”, Cambridge University Press, London. 304 pp.

Zilberbrand, M., 2012, “Elaboration of a geochemical model”, in: Geochemical Modeling of Groundwater, Vadose and Geothermal Systems, Bundschuh J. & Zilberbrand M. (eds), CRC Press, Chapter 6 Pages 143–152.

Maden Sahalar nda Potansiyel Su Kalitesi ve Kirlilik Hafifletme Etkisini

Hesaplayabilir miyiz?Cihan Güne , Sevgi Tokgöz Güne

Dokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisli i Bölümü

ve SUPERFUND Program : Kapsaml Çevresel Tepki, Tazminat ve Sorumluluk Yasas , (CERCLA, 1980)

ve SUPERFUND Program : Kapsaml Çevresel Tepki, Tazminat ve Sorumluluk Yasas , (CERCLA, 1980)

Ülkemizde terkedilmi 1518 maden var.

ve

ve

Olas Göl Olu umu?Su Miktar ve Kalitesi?

ki Ayr Model Tasar > Miktar ve KaliteModel Araçlar

MODFLOW, FEFLOW… Lisansl Yaz mlar (Geni kullan )

PHREEQC… Ücretsiz Aç k Kodlu Yaz m (Çok s rl kullan )

Modeller Ne Kadar Do rudur? Kavramsal Anlay ve Model Sonuçlar na Etkisi?

Hassas, Temsili, Yeterli… Veriler => ModelDO RULUK ve GEÇERL K

ve

ve

Su Kalite Sorunlar Do al etkiler: Jeokimyasal ve Hidrolik kimlik, iklim ve su kaynaklar na yak nl k…Ortam n do ru, hassas, temsili, geçerli ve yeterli kapsam ve içerikte kavramsalla lmas nsan kaynakl etkiler:

Yasal, karakterizasyon, tahmin ve önlem, konunun anla lm k seviyesi, hafifletme etki tasar mlar , teknolojik altyap kullanabilme… yetersizlikleriSaha Verileri => Potansiyel Su Kalitesi Sorunlar

Hafifletme Etki Tasar mlarNeden-Sonuç li kileri







Kavramsal Anlay (MODEL)Dü ük Risk Yüksek MaliyetYüksek Risk Dü ük MaliyetDü ük Risk Dü ük MaliyetYüksek Risk Yüksel Maliyet

Kavramsal Anlay (MODEL)Davis and Ashenberg (1989)

Modellerin Do ruluk ve Geçerlili i

Kavramsal Anlay (MODEL)Davis and Ashenberg (1989)

Kavramsal Anlay (MODEL)

Su Kalitesi Tahmini (PHREEQCI)Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2, Al+3, Mn+2,+6,+7, Zn+2, Cl-,

HCO3-, SO4

-2… pH-Eh,

Çözünme-Çökelme,Redoks (Yükseltgenme- ndirgenme),

SorpsiyonT-P,

Zaman,Fe+3 + 3H2O <=>Fe(OH)3(k) + 3H+

Suyun pH de eri, kalitesi… ortamda olu an tepkimelere ba r.

PHREEQCI = Kimyasal Hesap Makinesi

Su Kalitesi Tahmini (PHREEQCI)Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2, Al+3, Mn+2,+6,+7, Zn+2, Cl-,

HCO3-, SO4

-2… pH-Eh,

Çözünme-Çökelme,Redoks (Yükseltgenme- ndirgenme),

SorpsiyonT-P,

Zaman,Fe+3 + 3H2O <=>Fe(OH)3(k) + 3H+

Suyun pH de eri, kalitesi… ortamda olu an tepkimelere ba r.


Su Kalitesi Tahmini (PHREEQCI)


Su Kalitesi Tahmini (PHREEQCI)Girdi: Na+, K+, Ca+2, Mg+2, Fe+2, Al+3, Mn+2,+6,+7, Zn+2, Cl-,

HCO3-, SO4

-2… pH-Eh, Çözünme-Çökelme, Redoks (Yükseltgenme-

ndirgenme), Sorpsiyon, T-P,Zaman,

Fe+3 + 3H2O <=>Fe(OH)3(k) + 3H+

Ba lang ç artlar nda: çözelti yüzeysel kompleksle me, katyon de imi, denge fazlar ,

gaz fazlar ve kat çözelti gibi temel süreçlerleri ve geri modellemelerde, kar m, reaksiyon,

reaksiyon s cakl , oran, ters model, kinetik, advektif ve tepkisel ta m…


Cevher at k alan nda sülfür (S-2) oksidasyonu: solda O2 konsatrasyonu ve sudaki doygunluk yüzdesi,

sa da ise kat faz içindeki a rl kça sülfür da (Elberling ve Nicholson, 1996)

ÖRNEK PASA ZOLASYONU





pH 7, 0,4 m2/g yüzey alan ve 0,3 mmol O2ortam nda = 7 mmol (0,840 g) FeS2/(g pirit)/y l

okside olurken ayn oksijen ve pirit varl nda

pH 2 1,7 mol (204 g) FeS2/(g pirit)/y loksijensiz artlarda ise (Fe(OH)3:FeS2=14:1)

0,38 mmol (0,045 g) okside olabilmektedir.



SORUN: Sahada Fiziksel ve Kimyasal Olarak

Bu artlar n Olu tu unun Nas l Anla labilece i

ve Kan tlanabilece i

TEST, L METRE… UYGULAMALARI…





ve Garantilenebilece i











Semboller deneysel verileri, çizgiler ise PHREEQC ile yap lm model sonuçlar temsil

etmektedir (Andersen vd., 2001, Appelo ve Postma, 2005’den al nt )

Örnek çal ma:9 gram ö ütülmü pasa örne i 1 litre saf su

su/kat oran 1/1 oldu unda pH 2,74 ve 1/20’de ise 3,47

Ters ve ileri kütle denge modelleri

Tan m pH Na K Ca Mg Cl SO4-2 Si Al Fe Mn

Saf su 5,75 0,06 0,09 0,14 0,05 0,8 0,1 0,01 0,2 0,01 0,001

KT 5,1 0,1 0,3 688 1,1 1 1710 0,6 2,2 1 1,5

leri Model

6,4 0,1 0,09 591 0,05 0,7 1372 0,3 0,14 0,001 0,001

Örnek çal ma:9 gram ö ütülmü pasa örne i 1 litre saf su

su/kat oran 1/1 oldu unda pH 2,74 ve 1/20’de ise 3,47

Ters ve ileri kütle denge modelleri

Tan m pH Na K Ca Mg Cl SO4-2 Si Al Fe Mn

Saf su 5,75 0,06 0,09 0,14 0,05 0,8 0,1 0,01 0,2 0,01 0,001

KT 5,1 0,1 0,3 688 1,1 1 1710 0,6 2,2 1 1,5

leri Model

6,4 0,1 0,09 591 0,05 0,7 1372 0,3 0,14 0,001 0,001

leri Kütle Denge ModeliTitrasyon

Sonuçlar Saha Verileri => Potansiyel Su Kalitesi Sorunlar

Hafifletme Etki Tasar mlar

Neden-Sonuç li kileri Olan Testler ve ModellerHESAPLANAB R SU KAL TES

KAZANIMLARI Örne in Pasa izolasyonu,

- letme Öncesi-oksidasyon zonunda hangi tepkimeler ile ne tür asitli sular n

olu abilece i ve hangi nötrleme tepkimeleri ile fiziksel ve kimyasal bariyerlerin olu mas n beklendi i

ve bunun letme döneminde hangi tasar m, izleyici bile en, tasar m

gerçekleme ve güncellemeleri ile kapan sonras döneme haz rlanaca ortaya konmal r…

LG ZE TE EKKÜR Ederiz!...http://kisi.deu.edu.tr/sevgi.tokgoz/

http://kisi.deu.edu.tr/cihan.gunes/anasayfa.html

Teknoloji Geli tirme Çal malar z: çme Sular Kirletici Bile enlerden En Verimli ve Geli mi Metotlar Kullanarak

Su Kayna na Özel Tasar m le Ar tma (De tirilebilir Adsorban Kartu lu Modüler çme Suyu Ar tma Sistemi)

Tekstil At ksular n Ar , Tekrar Kullan Geri Kazan ve Akifer Dolum Yönetimi

REWATEX

ÇED, Madencilik ve Çevre Benzetim Testleri, Ortama Özel Model ve

Mühendislik Tasar mlar Geli tirmeSU KAL TES TAHM

DO RULAMA, GERÇEKLEME, PLANLAMA ve ÖNLEM

Documents

Maden Sahalar Õ nda Potansiyel Su Kalitesi ve Kirlilik Hafifletme …kisi.deu.edu.tr/cihan.gunes/madenvecevre_cihan_sevgi... · 2015-12-04 · maden materyallerinin jeokimyasal kimli÷i,