ZACHOWANIE SIĘ CIECZY NA PODŁOŻU GRUNTOWYM

Zjawiska zachodzące przy wyciekach cieczy na podłoże gruntowe.

Podczas awarii lub katastrofy w czasie której następuje wyciek substancji ciekłej na powierzchnię gruntu dochodzi do zanieczyszczenia środowiska: powietrza atmosferycznego i podłoża glebowego, a także w konsekwencji wód podziemnych i powierzchniowych.

Substancja w fazie ciekłej tworząca rozlewisko ulega parowaniu zaś pary zmieszane z powietrzem atmosferycznym tworzą chmurę, która może stanowić zagrożenie dla zdrowia, życia lub środowiska przyrodniczego, jeżeli substancja jest palna lub toksyczna.

Wnikająca w ziemię ciecz może zanieczyścić grunt, wody powierzchniowe i podziemne.

Odparowanie cieczy z rozlewiska

Parowanie, czyli przejście cieczy w parę to proces polegający na odrywaniu się cząstek cieczy od powierzchni i przechodzeniu do powietrza jako drobiny pary, podczas którego pobierana jest energia z otoczenia.

Z punktu widzenia kinematyki molekularnej cząstki cieczy posiadają pewną energię kinetyczną, która przy temperaturze niższej od temperatury wrzenia nie może przezwyciężyć sił przyciągania międzycząsteczkowego. Ruch cząstek jest chaotyczny; cząstki wielokrotnie zmieniają kierunek ruchu i prędkość. Jeżeli cząstka o odpowiedniej energii znajdzie się w pobliżu powierzchni cieczy, może ulec oderwaniu i przedostaniu się do otaczającego ją powietrza. Po przedostaniu się do atmosfery cząsteczek o dużych prędkościach, średnia energia kinetyczna pozostałych w cieczy cząstek obniży się, a więc obniży się temperatura cieczy, ponieważ energia ta jest proporcjonalna do temperatury. Miarą energii potrzebnej do odparowania masy cieczy jest ciepło parowania. Porcja energii potrzebna do przezwyciężenia przyciągania międzycząsteczkowego nie jest stała , ulega zmianom pod wpływem ciśnienia i temperatury. Parowanie powierzchniowe zachodzące wyłącznie na powierzchni cieczy osiągane jest poniżej temperatury wrzenia substancji.

Równolegle do procesu odparowania zachodzi zjawisko odwrotne. Cząsteczki pary w powietrzu wielokrotnie odbijają się między sobą i cząsteczkami powietrza. Jeżeli prędkość cząstek pary zmaleje, gdy znajdą się one w pobliżu, mogą zostać ponownie wchłonięte i następuje kondensacja. W procesie parowania ilość cząstek odrywających się, do pochłoniętych jest większa. Gdy powietrze jest nasycone a para osiągnęła prężność maksymalną w danej temperaturze, ilość cząstek parujących i kondensujących jest taka sama. Intensywność parowania zależy od:

• temperatury otoczenia

• temp. cieczy parującej

• wilgotności powietrza

• prędkości wiatru

• ciśnienia atmosferycznego

• nasłonecznienia

• powierzchni plamy

• rodzaju podłoża

Wiatr przemieszcza parę znad powierzchni cieczy obniżając wielkość nasycenia powietrza i parowanie rośnie. Ciśnienie atmosferyczne ze względu na małe wahania na Ziemi nie odgrywa większej roli przy parowaniu. Jego wpływ jest zauważalny w terenach wysokogórskich. Ciśnienie wpływa na temperaturę powietrza oraz prężność par nasyconych. Spadek ciśnienia powoduje obniżenie temperatury wrzenia, a więc wzrost intensywności parowania. Niska temperatura spowalnia odparowanie, natomiast wysoka przyspiesza ten proces podobnie jak silne nasłonecznienie, duża prędkość wiatru i niskie ciśnienie atmosferyczne. Duża wilgotność osłabia parowanie.

Szybkość parowania cieczy z jednostki powierzchni:

V = (2πmkT)^-1/2(p_o-p)

gdzie:

m - masa molowa cieczy

k - stała Boltzmana

T - temperatura

p₀ - prężność pary nasyconej

p - aktualna prężność par nad cieczą.

Wsiąkanie cieczy w glebę.

Ciecz z rozlewiska oprócz parowania ulega również procesowi przemieszczania się w głąb ziemi, tzn. wsiąkaniu (infiltracji). Szybkość infiltracji zależy od:

• przepuszczalności gruntów i skał

• rzeźby terenu

• temperatury powietrza

• zawartości wilgoci w powietrzu

• pokrycia terenu szatą roślinna

• zawartości wilgoci w glebie

• własności fizykochemicznych substancji wnikającej w glebę

Prędkość przenikania nafty przez podłoże z gruboziarnistego piasku wynosi około 5m na godzinę, zaś dla piasku drobnoziarnistego około 1 cm na 8 miesięcy. Nafta ma większą lepkość od olejów, dlatego też oleje będą wnikać do podłoża woniej niż nafta.

Charakterystyka gruntów

Gleba to zewnętrzna część litosfery. Składa się z części mineralnych, organicznych oraz niewielkich ilości wody i tlenu. Skład i struktura gleby zależą od właściwości skał macierzystych oraz zachodzących procesów glebotwórczych.

Gleby dzieli się na ciężkie i lekkie. Gleba ciężka składa się z najdrobniejszych cząstek, małej ilości piasku i próchnicy. Trudno przepuszcza powietrze i wodę. W czasie deszczu bardzo powoli wysycha zaś w czasie suszy staje się twarda i zaskorupiała. Do gleb ciężkich należą gliny i iły. Gleba lekka składa się z dużej ilości piasku i dobrze przepuszcza wodę.

W skład gleby wchodzą składniki mineralne oraz składniki organiczne. Wszystkie wolne przestrzenie między cząsteczkami gleby wypełniają woda i powietrze glebowe. Skład gleby przedstawia się następująco:

• woda - 25%

• powietrze - 25%

• składniki organiczne - 5%

• składniki mineralne - 45%

Powstałe z rozkładu skały macierzystej lub naniesione składniki mineralne występują w glebie w postaci różnych związków chemicznych: soli, kwasów, zasad, a także w postaci jonowej. Niektóre pierwiastki chemiczne występują w glebie w znacznych ilościach, stanowiąc od kilku do kilkudziesięciu procent ciężaru gleby. Należą do nich krzem, glin, żelazo, wapń, magnez, potas, fosfor, siarka, sód azot, węgiel, wodór i tlen. W niewielkich ilościach występują w glebie brom, kobalt, molibden, bor, chrom.

Składniki organiczne gleby pochodzą z obumierających organizmów.

Składnikiem gleby jest też woda. Składniki mineralne i organiczne gleby tworzą wraz z wodą roztwór glebowy. Przestrzenie między cząsteczkami gleby nie wypełnione wodą zajmuje powietrze. W glebach suchych mało jest wody, natomiast dużo powietrza. Powietrze glebowe jest bogate w dwutlenek węgla, parę wodną i zawiera mniej tlenu niż powietrze atmosferyczne.

Tabela 1. Porównanie składu powietrza atmosferycznego i glebowego (%)

Powietrze	O2 [%]	CO2 [%]
atmosferyczne	20,9	0,03
glebowe	10,4 - 20,7	15 -0,65

W obrębie skorupy ziemskiej wyróżnia się dwie strefy: aeracji i saturacji.

Strefa aeracji, strefa napowietrzenia występuje od powierzchni ziemi do zwierciadła wód podziemnych, w której pory i szczeliny wypełnione są powietrzem. Jej głębokość waha się od zera (na bagnach) do kilkudziesięciu metrów, na obszarach pustynnych może dochodzić nawet do kilkuset metrów. Woda znajdująca się w strefie aeracji jest związana siłami międzycząsteczkowymi z ziarnami skał tzw. Woda higroskopijna, błonkowata i kapilarna.

Woda higroskopijna jest związana z ziarnami gleby dzięki siłom przyciągania międzycząsteczkowego posiadająca wysoką gęstość i temperaturę krzepnięcia -78⁰C.

Woda błonkowata tworzy warstwę otaczającą ziarna gleby po osiągnięciu przez nie maksymalnej wilgotności higroskopijnej, o gęstości zbliżonej do zwykłej wody i zmiennej temperaturze zamarzania, poniżej 0⁰C.

Woda kapilarna to woda podsiąkająca i wypełniająca szczeliny w glebie.

Wody te nie podlegają sile grawitacji.

Strefa saturacji, strefa nasycenia wodą , ograniczona jest od góry zwierciadłem wód podziemnych a od dołu warstwą skalną nieprzepuszczalną. W strefie saturacji wszelkie przestrzenie, szczeliny i pęknięcia są wypełnione swobodnie przemieszczającą się wodą.

Porowatość i przepuszczalność gruntów

Warunkiem przepuszczalności gruntu jest porowatość. Oblicza się ją ze wzoru:

n = V_P/V 100%

gdzie: n - porowatość gruntu

V_P­ - objętość porów

V - objętość całkowita gruntu

Przepuszczalność skał zwięzłych (litych) tylko w niewielkim stopniu zależy od ich porowatości, ale przede wszystkim od istnienia w skałach spękań, kawern i szczelin.

Przykładowo najmniejszą porowatość wykazują skały zwięzłe i granity, sjenity, porfiry, bazalty gnejsy, łupki krystaliczne, marmury i kwarcyty - około 2%. Porowatość żwirów waha się od 26 do 45%, piasków 30-35%, piasków scementowanych 3,5-28%, skał ilastych 45-50%, skał pylastych i lessowych ok. 65%. Największą porowatość wykazują torfy - ponad 80%.

Pod pojęciem wodoprzepuszczalności należy rozumieć zdolność skały do przepuszczania przez nią wody pod wpływem siły ciężkości, a wraz z nią zanieczyszczeń. Orientacyjne wartości współczynnika wodoprzepuszczalności k, które można wykorzystać przy ogólnej ocenie zdolności przenikania zanieczyszczeń przez dany ośrodek skalny, przedstawiono w tabeli 2.

W obszarze B wydzielono:

• strefę 1 na głębokości 0,00-0,30 m, ze względu na głębokość do której sięga system korzeniowy większości uprawianych roślin; przez korzenie zanieczyszczenia wchodzą do łańcucha żywieniowego, oddziaływując bezpośrednio na człowieka,

• strefę 2 na głębokości 0,30-15,00 m, ze względu na pośrednie oddziaływanie organizmy żywe i ochronę wód podziemnych przed zanieczyszczeniem,

• strefę 3 poniżej głębokości 15,00 m.

W obszarach C wydzielono:

• strefę 1 na głębokości 0,00-2,00 m, w której dopuszcza się zwiększony poziom zanieczyszczeń w związku z działalnością prowadzoną na tym terenie,

• strefę 2 na głębokości 2,00-15,00 m; jest to strefa chroniąca wody podziemne przed zanieczyszczeniem,

• strefę 3 poniżej głębokości 15 m.

1

---