HYDROGEOCHEMISCHE MODELLERING VAN DE NITRAATVERSPREIDING

Presentatie over: "HYDROGEOCHEMISCHE MODELLERING VAN DE NITRAATVERSPREIDING"— Transcript van de presentatie:

1 HYDROGEOCHEMISCHE MODELLERING VAN DE NITRAATVERSPREIDING
Marc Van Camp Laboratorium voor Toegepaste Geologie en Hydrogeologie Prof. Dr. K. Walraevens Universiteit Gent

2 NITRAATSPECIFIEK MODEL
Grondwatermodel dat toelaat de verspreiding van nitraten in het grondwater te simuleren, rekening houdend met het optreden van denitrificatie en andere hydrogeochemische processen die de nitraatverspreiding (kunnen) beïnvloeden.

3 FYSICO-CHEMISCHE PROCESSEN
Grondwaterstroming • Wet van Darcy • Continuiteitswet Stoffentransport • Advectie • Dispersie • Diffusie Hydrogeochemische processen • Speciatie • Evenwichten met minerale fasen • Redoxreacties • Kinetische reacties: oxidatie van organisch materiaal en pyriet • Ionenwisselingen

4 MODELIMPLEMENTATIE 1-DIMENSIONAAL SPECIATIE / REACTIEPATHMODEL
CURVILINEAIR TOEGEPAST LANGSHEEN STROOMLIJNEN TRANSPORT / SPECIATIE / REACTIEPATHMODEL = PHREEQC (PARKHURST & APPELO) • Veel gebruikt • “public domain” modelcode (USGS) • Goed gedocumenteerd • Flexibel en uitbreidbaar qua mogelijkheden (thermodynamische database)

5 stroomlijn = (x,y,z,t) conc = f(x,y,z) = f(t)
• afgeleid uit hydrodynamische veldcondities: - horizontale stromingscomponenten uit stijghoogtemetingen - verticale stromingscomponenten : afh van aanvulling en hydrografie • uit grondwaterstromingsmodel (b.v. MODFLOW+MODPATH) stroomlijn = (x,y,z,t) RESERVOIRSCHEMATISERING IN LAGEN/TIJDSPERIODEN • gebaseerd op hydrolithologie • gebaseerd op reductiecapaciteiten (oxidatie- en reductiezone) • reistijd per laag PHREEQC MODEL • tijdssegmenten : - enkel advectief transport - 1 tijdssegment per laag • kolommodel : - advectief + dispersief transport conc = f(x,y,z) = f(t)

6

7      PHREEQC MODEL  MODELSCHEMATISERING      
SEDIMENTANALYSEN STIJGHOOGTEMETINGEN WATERANALYSEN    RESERVOIR HYDRODYNAMISCHE HYDROCHEMISCHE KARAKTERISATIE SYSTEEMANALYSE SYSTEEMANALYSE OF MODELLERING    IDENTIFICATIE REDUCTIECAPACITEITEN STROOMLIJN HYDROCHEMISCHE (x,y,z,t) PROCESSEN    MODELSCHEMATISERING   PHREEQC MODEL  concentraties tijd in functie van parameters plaats

8 KINETISCHE OXIDATIE VAN ORGANISCH MATERIAAL
Reactiesnelheid (PHREEQC): c1,c2,c3,c4,c5,c6 : constanten m(O2) = zuurstofgehalte m(NO3) = nitraatgehalte m(SO4) = sulfaatgehalte De hoeveelheid organisch materiaal dat geoxideerd wordt in een tijdsinterval: Soms werd de reactiesnelheid aangepast a.h.v. een versnellings/vertragingsfactor

9 KINETISCHE OXIDATIE VAN PYRIET
Rpyriet = totale reactiesnelheid (mol/l/s) rpyriet = specifieke reactiesnelheid (mol/dm2/s) A/V = de reactieve contactoppervlakte per volume-eenheid m = de hoeveelheid aanwezig pyriet m = initiële hoeveelheid pyriet n = geometriefactor (0.67 voor bolvorm) Oxidatie pyriet door opgeloste zuurstof (WILLIAMSON & RIMSTIDT, 1994): Oxidatie pyriet door nitraten (SCHIPPER, 2000):

10 De factor A/V werd bepaald per testsite a. h. v
De factor A/V werd bepaald per testsite a.h.v. de bepaalde RC waarde voor pyriet en geschatte korrelgrootten: testsite laag korrelgrootte RC (mol/l) log(A/V) (micron) Kampenhout Brusseliaan Torhout Eegem (top)

11 PHREEQC INVOERBESTAND:
1 Definitie percolatiewater • evenwicht met atmosfeer (O2,CO2) • aangezuurd indien lage pH (met H2SO4) • evenwicht met kalk • NO3-belasting in de vorm van KNO3 2 Definitie reactiekinetiek oxidatieprocessen • A.h.v. RATES en KINETICS instructies in PHREEQC 3 Opdeling in tijdssegmenten • Overeenkomend met het aantal lagen in het reservoir en de reistijden • Per tijdssegment wordt de reductiecapaciteit opgegeven • Per tijdssegment worden (eventueel) supplementaire processen opgegeven

12 TESTSITE ADEGEM

13

14 PHREEQC MODELINVOER TESTSITE ADEGEM
Percolatiewater: • NO3 = 2 mmol/l (KNO3) • p(O2) = (0.2 atm) • p(CO2) = -2.00 • SI(kalk) = -2.0 (onderverzadigd) • toevoeging 0.5 mmol/l H2SO4 periode lengte(jaar) eenheid RCoc RCpyriet processen laag Afz v Maldegem mmol/l Afz v Eeklo mol/l mmol/l kalkoplossing Afz v Oostwinkel mol/l mmol/l kalkoplossing • Vooral oxidatie van organisch materiaal in de Afz v Eeklo = top van de reductiezone

15 TESTSITE ADEGEM

16 TESTSITE ADEGEM

17 TESTSITE KAMPENHOUT

18

19 PHREEQC MODELINVOER TESTSITE KAMPENHOUT
Percolatiewater: • NO3 = 2 mmol/l (KNO3) • p(O2) = (0.2 atm) • p(CO2) = -2.00 • SI(kalk) = 0.0 (verzadigd aan kalk) • toevoeging 0.5 mmol/l H2SO4 periode lengte(jaar) eenheid RCoc RCpyriet processen laag Brusseliaan (geoxideerd) Brusseliaan (gereduceerd) mol/l mol/l • Vooral pyrietoxidatie • Lateraal uitwiggen van de oxidatiezone

20 TESTSITE KAMPENHOUT

21 TESTSITE KAMPENHOUT

22 TESTSITE MOL

23

24 PHREEQC MODELINVOER TESTSITE MOL
Percolatiewater: • NO3 = 0.2 mmol/l (KNO3) (geringe nitraatbelasting) • p(O2) = (0.2 atm) • p(CO2) = -2.00 • SI(kalk) = -3.0 (sterk onderverzadigd aan kalk) • toevoeging 1.0 mmol/l H2SO4 (zure waters) periode lengte(jaar) eenheid RCoc RCpyriet processen laag Hoogterras Bruin zand mol/l eq Fe(OH)3(a) Zand van Mol mol/l • Enkel organisch materiaal als reactief materiaal • Hoogterras is geoxideerd , top reductiezone = bruin zand • Evenwicht met amorf Fe(OH)3 om stijgende Fe-gehalten in het bruin zand te verklaren

25 TESTSITE MOL

26 TESTSITE MOL

27 TESTSITE TORHOUT

28

29 PHREEQC MODELINVOER TESTSITE TORHOUT
Percolatiewater: • NO3 = 1 mmol/l (KNO3) • p(O2) = (0.2 atm) • p(CO2) = -2.00 • SI(kalk) = 0.0 (verzadigd aan kalk) periode lengte(jaar) eenheid RCoc RCpyriet processen laag Colluvium/Lid van Eegem (geoxideerd) Lid van Eegem mol/l kalkevenwicht (top reductiezone) ionenwisselingen Lid van Eegem mol/l mol/l pyrietprecipitatie kalkevenwicht ionenwisselingen • Er treden ionenwisselingen op. De CEC bedraagt 5 meq/100 g sediment. • Aan de top van de reductiezone is enkel pyrietoxidatie van belang.

30 TESTSITE TORHOUT

31 TESTSITE TORHOUT

32 TESTSITE PEER

33

34 PHREEQC MODELINVOER TESTSITE PEER
Percolatiewater: • NO3 = 3 mmol/l (KNO3) (nitraatbelasting) • p(O2) = (0.2 atm) • p(CO2) = -2.00 • SI(kalk) = -3.0 (1000 x onderverzadigd aan kalk) • H2SO4 : 0.5 mmol/l toegevoegd om aan te zuren periode lengte(jaar) eenheid RCoc RCpyriet processen laag Hoogterras F v Kasterlee mmol/l F v Diest (topzone) mol/l F v Diest mol/l mmol/l • Top van de reductiezone = top van de Formatie van Diest • Hier is vooral oxidatie van organisch materiaal van belang

35 TESTSITE PEER

36 TESTSITE PEER

37 CONCLUSIES • Een nitraatspecifiek model werd geïmplementeerd als een één-dimensionaal PHREEQC reactiepathmodel dat curvilineair toegepast wordt op stroomlijnen. De stroomlijnen kunnen aangeleverd worden door een grondwaterstromingsmodel of afgeleid worden uit de hydrodynamische veldsituatie. • Denitrificatie kan op een kinetische wijze behandeld worden a.h.v. oxidatie van organisch materiaal en pyriet. De reductiecapaciteiten dienen afgeleid te worden uit sedimentbepalingen. • Andere hydrochemische processen kunnen mee in beschouwing genomen worden (b.v. ionenwisselingen, sulfaatreductie, oplossing en precipitatie van mineralen zoals kalk, Fe(OH)3) • Het model geeft nitraatgehalten (en andere concentraties en parameters) in functie van tijd en afstand.