การเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนในน้ำใต้ดิน

การเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนอธิบายถึงวิธีการที่มลพิษที่ละลายน้ำได้และไม่ละลายน้ำเคลื่อนที่และแพร่กระจายในน้ำใต้ดินผ่านการพา การแพร่กระจาย และกระบวนการทางเคมีและชีวภาพ

Definition

การเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนในน้ำใต้ดินคือการเคลื่อนที่และชะตากรรมของมลพิษที่ละลายน้ำได้หรือไม่ละลายน้ำในใต้ผิวดิน ซึ่งถูกควบคุมโดยการพาไปกับน้ำที่ไหล การแพร่กระจายแบบไฮโดรไดนามิก และปฏิกิริยาทางเคมีและชีวภาพที่ทำให้เกิดการหน่วงหรือการเปลี่ยนแปลง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการเคลื่อนที่ทางกายภาพของสารละลายโดยการพาและการแพร่กระจาย การหน่วงและการย่อยสลายของสารปนเปื้อนโดยการดูดซับและปฏิกิริยา พฤติกรรมของของเหลวที่ไม่ใช่น้ำ และพื้นฐานสำหรับการทำนายกลุ่มมลพิษและการบำบัดฟื้นฟู โดยประยุกต์ใช้การไหลของน้ำใต้ดินกับการเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนที่ละลายน้ำได้และไม่ละลายน้ำ

Core questions

• การพาและการแพร่กระจายควบคุมการเคลื่อนที่ของกลุ่มมลพิษอย่างไร?
• การดูดซับและการย่อยสลายหน่วงและลดทอนสารปนเปื้อนได้อย่างไร?
• ของเหลวที่ไม่ใช่น้ำมีพฤติกรรมแตกต่างจากสารละลายที่ละลายน้ำได้อย่างไร?
• มีการทำนายกลุ่มมลพิษและบำบัดฟื้นฟูชั้นหินอุ้มน้ำได้อย่างไร?

Key concepts

• การพาและความเร็วการซึม
• การแพร่กระจายแบบไฮโดรไดนามิกและการแพร่
• สมการการพา-การแพร่กระจาย
• การดูดซับและปัจจัยการหน่วง
• การย่อยสลายทางชีวภาพและการลดทอนตามธรรมชาติ
• ของเหลวที่ไม่ใช่น้ำ (NAPLs)

Key theories

สมการการพา-การแพร่กระจาย

การเคลื่อนที่ของสารละลายถูกจำลองโดยการรวมการพาที่ความเร็วเฉลี่ยของน้ำใต้ดินกับการแพร่กระจายแบบไฮโดรไดนามิกและการแพร่ ซึ่งให้สมการการพา-การแพร่กระจายที่ทำนายว่ากลุ่มมลพิษแพร่กระจายอย่างไรเมื่อเวลาผ่านไป

การหน่วงและการลดทอน

การดูดซับไปยังของแข็งในชั้นหินอุ้มน้ำจะหน่วงสารปนเปื้อนที่ทำปฏิกิริยาเมื่อเทียบกับน้ำ ในขณะที่การย่อยสลายทางชีวภาพและปฏิกิริยาอื่นๆ จะลดทอนสารเหล่านั้น ซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญในการทำนายความยาวของกลุ่มมลพิษและการบำบัดฟื้นฟูตามธรรมชาติและที่ออกแบบขึ้น

Mechanisms

สารปนเปื้อนที่ละลายน้ำได้จะถูกพาไปกับการไหลเฉลี่ยของน้ำใต้ดิน (advection) ในขณะที่แพร่กระจายโดยการแพร่กระจายเชิงกล (mechanical dispersion) เนื่องจากเส้นทางการไหลแตกต่างกันไปในเครือข่ายรูพรุน และการแพร่กระจายระดับโมเลกุล (molecular diffusion) สารปนเปื้อนที่ทำปฏิกิริยาจะถูกแบ่งแยกไปยังของแข็งในชั้นหินอุ้มน้ำโดยการดูดซับ (sorption) ซึ่งทำให้เคลื่อนที่ช้าลงเมื่อเทียบกับน้ำ (retardation) และอาจถูกเปลี่ยนแปลงโดยปฏิกิริยาทางเคมีหรือจุลินทรีย์ ของเหลวที่ไม่ละลายน้ำจะก่อตัวเป็นเฟสแยกต่างหากซึ่งทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดระยะยาว

Clinical relevance

การทำความเข้าใจการเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการประเมินความเสี่ยงต่อแหล่งน้ำดื่ม การกำหนดขอบเขตและการทำนายกลุ่มมลพิษจากการรั่วไหล หลุมฝังกลบ และการเกษตร การออกแบบเครือข่ายการเฝ้าระวังและระบบบำบัดฟื้นฟู และการประเมินการลดทอนตามธรรมชาติ (natural attenuation) ในฐานะกลยุทธ์การทำความสะอาด

History

ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของสารปนเปื้อนอาศัยกรอบการพา-การแพร่กระจาย (advection-dispersion framework) ที่ Bear และคณะได้วางรูปแบบไว้ในทศวรรษ 1970 ความกังวลที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับมลพิษในน้ำใต้ดินตั้งแต่ทศวรรษ 1970 เป็นต้นมา ทำให้ธรณีวิทยาน้ำใต้ดินที่เกี่ยวข้องกับสารปนเปื้อนกลายเป็นสาขาวิชาหลัก ซึ่งขยายไปถึงการดูดซับ การย่อยสลายทางชีวภาพ และพฤติกรรมที่ซับซ้อนของของเหลวที่ไม่ใช่น้ำที่มีความหนาแน่นสูงและต่ำ

Debates

การพึ่งพาสเกลของค่าการแพร่กระจาย

ค่าการแพร่กระจายที่วัดได้ภาคสนามมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นตามขนาดของการสังเกตเนื่องจากความไม่สม่ำเสมอของชั้นหินอุ้มน้ำ ทำให้เกิดการถกเถียงว่าสมการการพา-การแพร่กระจายแบบคลาสสิกที่มีค่าการแพร่กระจายคงที่สามารถแสดงถึงการเคลื่อนที่ในระดับภาคสนามได้อย่างเพียงพอหรือไม่

Key figures

• Jacob Bear
• John A. Cherry
• C. W. Fetter

Seminal works

• freeze1979
• bear1979
• fetter1999

Frequently asked questions

เหตุใดกลุ่มมลพิษจึงแพร่กระจายออกไปเมื่อเคลื่อนที่?

นอกเหนือจากการถูกพาไปกับการไหลเฉลี่ยแล้ว สารปนเปื้อนยังแพร่กระจายเนื่องจากน้ำไหลไปตามเส้นทางที่คดเคี้ยวหลายเส้นทางด้วยความเร็วที่แตกต่างกันผ่านรูพรุน (การแพร่กระจายเชิงกล) และเนื่องจากการแพร่กระจายระดับโมเลกุล ดังนั้นกลุ่มมลพิษจึงขยายตัวและมีความเข้มข้นเจือจางลงตามทิศทางการไหล

NAPL คืออะไร?

ของเหลวที่ไม่ใช่น้ำ (non-aqueous phase liquid) คือสารปนเปื้อน เช่น น้ำมันหรือตัวทำละลายคลอรีนที่ไม่ผสมกับน้ำได้ง่าย NAPLs เคลื่อนที่ในฐานะเฟสแยกต่างหากและสามารถคงอยู่ได้นานหลายทศวรรษ โดยค่อยๆ ละลายและทำหน้าที่เป็นแหล่งกำเนิดระยะยาวของการปนเปื้อนน้ำใต้ดิน