Modelowanie geochemiczne 3. Plan prezentacji. Przepływ i transport PHAST. Skład chemiczny. Warunki początkowe

Transkrypt

1 Modelowanie geochemiczne 3 Plan prezentacji Modelowanie przepływu, transportu i reakcji geochemicznych w programie Phast Modelowanie denitryfikacji w zbiorniku Rabis (Dania) Modelowanie mobilizacji arsenu w zbiorniku Central Oklahoma (USA) Konrad Miotliński PHAST 3-D program do modelowania przepływu, transportu substancji i reakcji geochemicznych HST3D Przepływ wody (Prawo Darcy ego) Transport substancji (adwekcja, dyfuzja, dyspersja) PHREEQC Reakcje geochemiczne (reakcje równowagi i reakcje kinetyczne) Programy dodatkowe: WPhast interfejs uŝytkownika do wprowadzania danych GoPhast interfejs uŝytkownika do wprowadzania danych Model Viewer - interfejs uŝytkownika do oglądania danych wyjściowych Przepływ Transport Reakcje geochemiczne Przepływ Transport Reakcje geochemiczne Przepływ i transport Metoda róŝnic skończonych Warunki brzegowe Flux zdefiniowanego natęŝenie strumienia przepływu (II-rodzaju) Leaky przez granicę o zdefiniowanej przepuszczalności (III-rodzaju) Specified value stałego poziomu zwierciadła (I-rodzaju) River na rzece (III-rodzaju) Well jako studnia (II-rodzaju) Stała temperatura Stała gęstość Skład chemiczny Warunki początkowe Skład jonowy roztworu ZrównowaŜenie względem faz mineralnych/gazowych Wymiana jonowa (kationowa) Kompleksowanie powierzchniowe Definiowanie własnych faz stałych Modelowanie procesów kinetycznych W sposób jawny (explicite ODE; równanie Runge- Kutta) W sposób niejawny (implicite ODE; równianie CVODE) Przestrzenny rozkład wysokości hydraulicznej Definiowany przez strefy (zony) Typ warstwy wodonośnej Przestrzenny rozkład parametrów geochemicznych Definiowany przez strefy (zony) Przykłady: Początkowy skład chemiczny wody wypełniające zbiornik wód podziemnych Skład chemiczny wody zasilającej zbiornik RównowaŜenie wody względem fazy mineralnej, kompleksu jonowymiennego, stałe kinetyki reakcji itp. 1

2 Warunki brzegowe dla modelowania przepływu Bez przepływu (Q=0) (domyślny) II rodzaju Określony poziom zwierciadła I rodzaju (Q zaleŝy od dh) Sąsiadujący zbiornik wód powierzchniowych Kopalnia Określony na podstawie badań terenowych lub większego modelu Określony strumień przepływu (Q=const) II rodzaju Infiltracja efektywna Określony na podstawie badań terenowych lub większego modelu Przesączanie III rodzaju (Q zaleŝy od dh i T) Sąsiadujący zbiornik wód podziemnych z którym następuje wymiana wód Niejawne rozszerzenie obszaru modelowanego Wymiany z rzeką III rodzaju (Q zaleŝy od dh i T) Studnie II rodzaju (Q=const) Studnie chłonne lub eksploatacyjne Otwory obserwacyjne Warunki brzegowe dla modelowania składu chemicznego Dla kaŝdego warunku brzegowego moŝe zostać zdefiniowany roztwór o konkretnym składzie chemicznym Ilość roztworu dostarczanego do (usuwanego z) modelowanego systemu wodonośnego jest determinowana ilością wody dostarczanej (usuwanej) do systemu odwzorowaną danym warunkiem brzegowym. Definiowanie warunków brzegowych Dyskretyzacja obszaru modelu II rodzaju I rodzaju PHAST -Obliczenia są prowadzone dla węzłów III rodzaju II rodzaju MODFLOW - Obliczenia dla centrum komórek Rodzaje modeli w PHAST Arsen globalny problem 1. Model przepływu w warunkach ustalonych 2. Model przepływu w warunkach nieustalonych 3. Model przepływu w warunkach ustalonych i reakcji geochemicznych w warunkach nieustalonych 4. Model przepływu w warunkach nieustalonych i reakcji geochemicznych w warunkach nieustalonych 2

3 Wody podziemne w Bangledeszu Choroby spowodowane spoŝyciem wód o duŝym stęŝeniu As Norma WHO: 0,01 mg/l Central Oklahoma As w zakrytej części zbiornika PodwyŜszone stęŝenia As typowe dla wyŝszych wartości ph Przepływ: Część zakryta 1 2 Cześć odkryta Arsen w zbiorniku Central Oklahoma Dostępne dane wejściowe do modelu Model hydrodynamiczny Analizy chemiczne wody Wiek wód określony metodą 14 C Badania mikroskopowe osadów Pomiary pojemności wymiany kationów Ekstrakcja tlenków metali (Mn, Fe) Pod kątem zawartości As w skałach Reakcje geochemiczne Solanka początkowo wypełnia zbiornik Równowaga z kalcytem i dolomitem Wymian kationów: 2NaX + Ca+2 = CaX2 + 2Na+ 2NaX + Mg+2 = MgX2 + 2Na+ Kompleksowanie powierzchniowe Hfo-HAsO4- + OH- = HfoOH + HAsO4-2 Desorpcja przy ph > 8.5 Tworzenie pliku wejściowy zawierającego dane chemiczne dla PHAST 1. Wprowadzamy dane dla As do bazy danych 2. Definiujemy solankę jako Solution 1 3. Tworzymy kompleks powierzchniowy (SURFACE 1) będący w równowadze z solanką 4. Tworzymy kompleks jonowymienny (EXCHANGE 1) będący w równowadze z solanką 5. Definiujemy EQUILIBRIUM_PHASES 1 dla kalcytu i dolomitu 6. Tworzymy roztwór 2 (Solution 2) będący w równowadze z kalcytem i dolomitem 7. Definiujemy SELECTED_OUTPUT i USER_PUNCH Ŝeby uzyskać ph; mg/kgw Ca, Mg, Na, C(4), Cl, S(6); ug/kgw As 8. Zapisujemy plik w katalogu, gdzie będzie znajdował się model geochemiczny PHAST pod nazwą okchem.chem.dat 3

4 Woda morska (jednostki: ppm) Modyfikacja bazy danych Składnik ph pe Temperatura Ca Mg Na K Zasadowość jako HCO 3 Cl SO 4 stęŝenie Problem danymi termodynamicznymi dla As Dane w bazie nie są spójne z danymi modelu sorpcji (Dzombak and Morel) UŜycie oryginalnej bazy dotyczących sorpcji As prowadzi do nierealistycznych wyników Dane termodynamiczne dla As (Dzombak and Morel, 1990) SOLUTION_MASTER_SPECIES As H3AsO SOLUTION_SPECIES #H3AsO4 primary master species H3AsO4 = H3AsO4 log_k 0.0 #H2AsO4- H3AsO4 = H2AsO4- + H+ log_k delta_h kcal #HAsO4-2 H3AsO4 = HAsO H+ log_k delta_h kcal #AsO4-3 H3AsO4 = AsO H+ log_k delta_h 3.43 kcal Dane sorpcji As (Dzombak and Morel, 1990) SURFACE_MASTER_SPECIES Surf SurfOH SURFACE_SPECIES SurfOH = SurfOH log_k 0.0 SurfOH + H+ = SurfOH2+ log_k 7.29 SurfOH = SurfO- + H+ log_k SurfOH + AsO H+ = SurfH2AsO4 + H2O log_k SurfOH + AsO H+ = SurfHAsO4- + H2O log_k SurfOH + AsO4-3 = SurfOHAsO4-3 log_k Specjacje As Skopiuj dane dotyczące As z plików: As_data_DM.txt As_sdata_DM.txt Dodaj As do solanki (SOLUTION 1) w ilości 3 ppb Uruchom program Arsen został dodany jako nowy pierwiastek Jak jest dominująca specjacja dla As w wodzie morskiej? 4

5 Ewaporacja solanki USE solution 1 EQUILIBRIUM_PHASES Halite 0 H2O Dolomite 0 0 Calcite 0 10 Gypsum 0 0 Anhydrite 0 0 CO2(g) -1.5 SAVE solution 1 Definiowanie kompleksu sorpcyjnego SURFACE 1 -equilibrate with solution 1 Surf Definiowanie kompleksu jonowymiennego EXCHANGE 1 X 0.4 -equilibrate with solution 1 Definiowanie roztworu infiltrującego SOLUTION 2 Pure water EQUILIBRIUM_PHASES 2 Calcite 0 10 Dolomite 0 10 CO2(g) O2(g) SAVE solution 2 EQUILIBRIUM_PHASES 1 Calcite Dolomite Generowanie pliku wyjściowego SELECTED_OUTPUT -file okchem.sel -reset false -ph true USER_PUNCH # Drukuj stęŝenia w mg/kgw do pliku reaction.sel -headings Ca Mg Na Cl TDIC SO4 As -start 10 PUNCH TOT("Ca")*1000* PUNCH TOT("Mg")*1000* PUNCH TOT("Na")*1000*23 40 PUNCH TOT("Cl")*1000* PUNCH TOT("C(4)")*1000*61 60 PUNCH TOT("S(6)")*1000*96 70 PUNCH TOT("As")*1000*1000*74.3 -end 5