Modelarea acviferelor în ArcGIS

1. Descrierea problemei

Într-un amplasament s-a evidențiat, prin analizatea probelor din foraje, că există o poluare istorică. Se presupune că poluarea este cauzată atât de activitatea desfașurată pe depozitul de deșeuri, dar și de gospodăriile din localitățile învecinate (Fig. 1).

2. Obiectivele modelării

identificarea direcției de curgere a acviferului;
evidențierea concentrațiilor de poluanți pe acea direcție;
indentificarea zonelor expuse la poluare de pe suprafața întregului amplasament analizat.

3. Ipoteze de calcul

Acviferul se considera a fi:

cu nivel liber (apa circulă pe toată grosimea acviferului);
conservativ (fară infiltrații de la suprafață);
izotrop (sistemul acvifer are aceleasi proprietăți în orice direcție);
omogen (sistemul acvifer are aceleasi valoari în orice punct).
p. Ipotezele care exprimă curgerea acviferului folosite în modelul de față, sunt cele formulate de Legea lui Darcy. Legea lui Darcy este valabilă numai pentru curgerile laminare ce au loc, de obicei, în nisipurile fine și argile. În nisipurile grosiere și pietrișuri, vitezele cresc și regimul devine turbulent.

4. Modelul conceptual

Pentru realizarea obiectivului se va folosi pachetul ArcGis 9.2., mai precis secțiunea Groundwater din Spatial Analyst Tools. Pentru modelarea acviferelor se vor folosi următoarele date de intrare în format raster (Fig 2):

nivelul hidrostatic (limita superioară pană la care se ridică nivelul acviferului);
porozitatea efectivă (raportul dintre volumul spațiilor goale care comunică între ele și volumul brut al rocii);
grosimea zonei saturate a acviferului (zona în care spațiile goale sunt în totalitate umplute de apă);
transmisivitatea (produs între conductivitatea hidraulică și grosimea zonei saturate) indică debitul de apă pe care îl poate ceda acviferul printr-o suprafață egală cu 1 m x grosimea totală, într-o perioadă de 24 de ore.

Vor rezulta urmatoarele date de ieșire în format raster (Fig. 3):

bilanțul volumului rezidual masoară diferența între masa fluidului intrat și ieșit din fiecare celulă; redă surplusul sau deficitul de apă dintr-o celulă. Există posibilitatea ca bilanțul volumului rezidual să fie pozitiv sau negativ, funcție de raportul intrări/ieșiri. Ideal este ca acesta sa fie zero pentru fiecare celulă în parte sau cat mai aproapiat de această valoare, în caz contrar modelul nu este valabil. O valoare apropiată de zero arată și o coralare bună între nivelul hidrostatic și transmisivitate;
viteza de infiltare, exprimată prin două rastere: direcția de curgere și magnitudinea (viteza);
traseul particulelor dintr-un anumit punct (sursa), calculat pe baza rasterelor direcție și magnitudine, luându-se în considerare și alte câmpuri, precum lungimea traseului și timpul necesar parcurgerii acestuia (Planșa nr.1). Pe acest traseu s-a calculat și cantitatea de CCOMn existentă. Acest traseu al particulelor se încheie cand se atinge limita amplasamentului sau când pe traseu întâlneste o depresiune sau un foraj.

Pentru o cât mai bună înțelegere a proceselor, s-au realizat o serie de hărți pe care a fost trecut și acest traseu al particulelor care evidențiaza variația concentrației CCOMn de-a lungul lui. A fost ales traseul în care punctul de pornire se afla în apropierea presupusei surse de poluare, respectiv depozitul de deșeuri. S-au realizat de asemenea, histograme si profile. Pentru o cât mai buna vizualizare a zonelor unde concentrația CCOMn depășește CMA impusă de Legea 311/2004 (pentru modificarea și completarea Legii nr. 458/2002, privind calitatea apei potabile) s-au evidentiat cu negru acele zone.

Din hărțile, histogramele și profilele de mai jos se pot trage urmatoarele concluzii:

bilanțul volumului rezidual este în cea mai mare parte foarte apropiată de valoarea zero, adică intrările și ieșirile volumulului de apă din fiecare celulă a raster-ului sunt aproape egale (Planșa nr. 2);
direcțiile predominante de curgere a acviferului sunt sud, sud-est, est (Planșa nr. 3);
magnitudinea (viteza) pe direcția traseului efectuat de particule este foarte mică (Planșa nr. 4);
conform profilului, concentrațiile CCOMn maxime întâlnite pe traseu, se afla în apropierea punctului de pornire, respectiv cca. 90 m și în intervalul 3,5-4 km (Fig. 4) .

5. Parametrii modelului

Parametrii acviferului folosiți ca date de intrare s-au considerat a avea urmatoarele valori:

porozitatea efectivă: 0,21% (s-a luat în considerare o valoare medie recomandată pentru acvifere cantonate în nisipuri și pietrișuri fine – Help ArcGis 9.2);
grosimea acviferului (zona saturata): 15,6 m (aproximare după harta hidrogeologică);
transmisivitatea: s-a calculat ca produs al grosimii acviferului și porozitatea efectivă, adica 0,02 m ² /zi.

6. Modelul numeric. Programul utilizat

S-a folosit aplicația Groundwater din Spațial Analyst Tools din cadrul ArcGis 9.2.. Deși sunt programe dedicate modelării și simulării comportării acviferelor, pentru cantitatea și calitatea datelor folosite în această analiză, pachetul ArcGis 9.2. s-a dovedit foarte util.

7. Testarea modelului

Pentru a testa veriditatea modelului s-au aplicat doua metode:

s-au creat trasee ale particulelor din mai multe puncte pentru a vedea dacă vor converge către urma lăsata de primul traseu, ceea ce s-a intamplat (Fig. 5).

s-a micsorat amplasamentul și s-a creat un nou traseu al particulelor care a pornit din același punct ca și cel creat pentru amplasamentul mare. Dacă traseul creat pe amplasamentul mai mic crea o urmă nouă, modelul nu era corect. Acesta însă, s-a încheiat când a întâlnit limita din stânga a amplasamentului (Fig. 6).

8. Simulări/animații ale fenomenelor

Tool-ul Groundwater prin comanda Particle Track crează implicit câmpuri ce reprezintă viteza și direcția și astfel pot fi create track-uri reprezentând viteza și direcția de deplasare a particulelor.
p. Pentru crearea unui traseu cu reprezentarea concetrațiilor CCOMn, am creat un fișier shape separat. În aceasta analiză a interesat, în mod deosebit, variația concentrației în lungul traseului într-o perioadă oarecare și mai puțin derularea într-un anumit interval de timp, pentru că probele nu sunt prelevate într-un interval de timp cunoscut. Astfel, s-a efectuat o animație reprezentând variația concentrației CCOMn pe direcția de deplasare a particulelor (Planșa nr. 5). S-au evidențiat cu negru zonele unde valoarea depășește concentrația maximă admisă de legea 311/2004 pentru modificarea și completarea Legii nr. 458/2002, privind calitatea apei potabile.
p. Pentru realizarea acestei animații, s-a utilizat și unealta Tracking Analyst.

9. Indentificarea zonelor expuse la poluare cu CCOMn

Concluzii

Ca urmare a datelor modeste din punct de vedere cantitativ și calitativ, s-a ales ca parametrii acviferului sa fie constanti pe intreg amplasamentul, iar acviferul s-a considerat a fi izotrop, omogen și cu nivel liber. Orice alte presupuneri ar fi fost hazardate, avand în vedere faptul că datele de intrare au un grad mare de aproximare, însă ipoteza de la care s-a pornit face din acest model un punct de pornire spre realizarea/reprezentarea unor modele mai complexe.