saturation3
Modflow-Surfact simulacija prihranjivanja basena korišćenjem opcije vadoznog toka. Pozicija vlažnog fronta nakon 365 dana.

Društva širom sveta se suočavaju sa izvanrednim izazovima balansiranja raspoloživih rezervi vodosnabdevanja i promene strukture stanovništva, prekoračenjem izdani i vodotoka, i klimatskim otopljavanjem. Sada znamo da su tradicionalne inženjerske metode prikupljanja i uskladištenja vode iznad zemlje (brane) neefikasne, štetne za životnu sredinu, pa u nekim slučajevima i za zajednice.

Dokazana alternativa skladištenju vode branama je grupa tehnologija pod opštim pojmom Kontrolisani podzemni rezervoar vode za zahvatanje (engl. Managed Underground Storage of Recoverable Water – MUS).

Primeri tehnologija uključenih u MUS su veštačko prihranjivanje (engl. artificial recharge -AR), skladištenje podzemne vode i njeno zahvatanje (aquifer storage and recovery – ASR), tretman zemljišta izdani (engl. Soil Aquifer Treatment – SAT), obalska rečna filtracija, prihranjivanje basena, površinsko širenje, širenje basena, i podzemno uskladištenje i zahvatanje (engl. underground storage and recovery – USR). Ulaz vode u MUS može uključivati otpadne vode i vode od padavina kombinovane sa konvencionalnim i/ili trščanim prirodniom filtracionim / tretmanskim sistemom.

OBLASTI NAPREDNIH SISTEMA

Projektovanje MUS sistema obično zahteva pažljivo razmatranje četiri glavna tehnička ulazna parametra. Kriterijumi projektovanja uključuju:

1. Izvor vode koja će biti uskladištena, npr. rečna voda, otpadne vode zajednice, vode od padavina.

2. Metode prihranjivanja, npr., bunari u vadoznoj zoni, infiltracioni bunari, infiltracioni bazeni.

3. Izbor lokacije/zone uskladištenja i pristup upravljanju, npr. razmatranje tipa izdani, geologije, geohemije.

4. Vrsta korišćenja zahvaćene vode npr., piće, navodnjavanje, industrijske potrebe, sezonsko snabdevanje, vanredno / strateško snabdevanje.

Svaka komponenta MUS projekta dizajna može zahtevati razmatranje inženjeringa, geohemije, kulturna, geološka i pravna razmatranja.

Iz niza razloga (inženjerskih, geoloških, geohemijskih, društvenih, pravnih), ponekad projektovanje sistema upravljanja vodama treba preispitati i menjati. Reinženjering ili revitalizacija mogu biti izvedeni da zadovolje nove kriterijume perfrormansi, ili da isprave trajnu degradaciju u proizvodnji sistema. AET može da proceni performanse vašeg MUS sistema, uporedi operativne parametre s projektnim ciljevima i, ako je potrebno, pripremi specifikaciju reinženjeringa i/ili revitalizacije. Osim toga, AET može sarađivati sa vašim regionalnim planerima radi razumevanja projektovane populacije i/ili rasta industrijske proizvodnje, kako bi se osiguralo da nadogradnja MUS sistema zadovolji predviđene potrebe za vodom.

Za projektovanje rezervoara, inženjeri i hidrogeolozi moraju dobro da poznaju hidrogeološke karakteristike izdani koja će se koristiti kao rezervoar za uskladištenje, kao i da dobro poznaju njenu hidrauliku. Konkretno, projekat MUS sistema bazira se na odgovorima na sledeća pitanja o fizičkom sistemu izdani i njene hdraulike (uključujući faktore koji utiču na uspeh kao što je navedeno od strane Američkog udruženja inženjera (engl. American Society of Civil Engineers – ASCE), 2001; Bouwer, 2002; NRC, 2008.

  • Koja su prostorna ograničenja izdani (prostranstvo basena, dubina basena, debljina izdani, proslojci, ostali granični uslovi)?
  • Koje geološke jedinice su dostupne za uskladištenje kakva su hidraulička svojstva tih jedinica?
  • Koje privremene promene će uticati na sistem (sezonske, klimatske)?
  • Koji su kratkoročni i dugoročni uticaji MUS sistema na matriks izdani, tok podzemne ili površinske vode?

Faktori koji mogu da spreče razvoj MUS sitema uključuju:

  • Mali kapacitet izdani,
  • Mala hidraulička provodljivost,
  • Visoka verovatnoća začepljenja tokom prihranjivanja,
  • Očekivani gubitak vode od prihranjivanja,
  • Očekivana degradacija kvaliteta vode zbog fizičkih, hemijskih ili bioloških procesa,
  • Promene u obrascima potenciometrijskih gradijenata koji bi negativno uticali na postojeće vodosnabdevanje.

Naučnici iz AET-a mogu da izvedu različita istraživanja radi ocene fizičke i hemijske pogodnosti lokacije i da obezbede podatke za projektovanje MUS sistema. Primeri metoda/tehnologija istraživanja uključuju:

  • Testiranje izdani (crpenje, nalivanje, laboratorijska ispitivanja)
  • MUS Ciklusi / izvodljivost / probno testiranje sa monitoringom efikasnosti zahvatanja
  • Opit obeležavanja
  • Geofizička analiza (satelitska/iz vazduha i u bušotini), (seizmička refleksija / refrakcija, EM, GPR, rezistivimetrija)
  • Daljinska detekcija (satelitski i aero snimci, magnetometrija, gravimetrija, EM refleksija)
  • Modeliranje toka podzemne vode i transporta (analitički i numerički kodovi) (1D, 2D i 3D) (zasićenih i vadozni tok) (MODFLOW, MT3DMS, SEAWAT, HST3D, RT3D, SUTRA, FEMWATER)
  • Geografski informacioni sistemi i DBMS
  • 3D hidrogeološka i litostratigrafska vizualizacija / grafički razvoj

Probno testiranje je pažljivo kontrolisana procena koja pokriva ograničeno područje predložene MUS izdani, radi procene uspeha izvodljivosti MUS sistema. Slede primeri komponenti koje se rešavaju tokom tipičnog probnog testiranja (NRC, 2008).

  • Ciljevi pilot programa
  • Bušenje zemljišta
  • Opiti obeležavanja
  • Monitoring
  • Testiranje ventila
  • Procenat površinske infiltracije
  • Brzina prihranjivanja injekcionih bunara
  • Procena predtretmana
  • Procena modeliranjem
  • Procena rizika

Kompjutersko modeliranje MUS sistema je ključno za razumevanje potencijalnih promena i efekata okolne sredine. Naučnici iz AET-a imaju veliko iskustvo u izgradnji sofisticiranih dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih kompjuterskih modela za dobijanje parametre projekta MUS sistema i prognozu odgovora sistema. Modeli se koriste za procenu hidrauličkih geohemijskih i bioloških promena.

  • Mogu se razviti odgovori na tipična pitanja, kao što su navedena u nastavku,:

  • Kako će reagovati izdan pod stresom uskladištenja?

  • Koliko otpada može biti uskladišteno u izdani?

  • Koje su hidrauličke, geohemijske i biološke promene povezane sa MUS sistemom?

  • Koja je najefikasnija tehnologija za uskladištenje vode, npr. injekcioni bunari ili infiltracioni bazeni, ili njihova kombinacija?

  • Koje se hemijske promene mogu desiti kada uskladištena voda dođe u kontakt sa postojećom podzemnom vodom u sredini?

Konačan geohemijski konceptualni model je ključan za predviđanje evolucije uskladištene i vode u sredini. Konceptualni model se koristi za karakterizaciju hemijske (organske i neorganske), fizičke i mikrobiološke evolucije vode (NRC, 2008). Monitoring i analiza koji su u skladu sa ovom karakterizacijom moraju se fokusirati i na sastojke opasne po ljudsko zdravlje i na one koji utiču na rad MUS sistema. Posledice mogućih reakcija tokom uskladištenja naglašavaju važnost sveobuhvatne karakterizacije izdani radi potpunog razumevanja promene kvaliteta vode koje se mogu javiti tokom tokom rada MUS. Naučnici iz AET-a koriste geohemijske modele za simulaciju hemijske evolucije vode, i provere/podrške modela uključujući laboratorijske analize vode.

AET ima pristup globalnoj mreži kvalifikovanih hemijskih laboratorija. Hemijski podaci dobijaju se u različitim formatima, uključujući i elektronske datoteke za efikasan prenos podataka do softvera za vizualizaciju i analizu rutina.

Tipični MUS hemijski parametri:

Ca2+
Mg2+
HCO3– 
Na+
SO2
SiO2
Cl
Eh
pH
Specifična provodnost
Temperatura
Rastvoreni kiseonik
Nutricijenti
Nemetali (uključujući arsen)
Organske materije u tragovima
Ukupni organski ugljenik
Tretman dezinfekciije vode nusprodukata
Mikrooragranizmi

Hemijske analize koje se izvode se mogu menjati u zavisnosti od uslova na lokaciji i porekla vode za injekciju/prihranjivanje

Naučnici iz AET-a koriste napredno numeričko i analitičko modeliranje za simulaciju efekata MUS na hidrologiju oko skladišnog prostora. Naime, modeli predviđaju promene u sistemu toka i efekte prihranjivanja i pražnjenja, i ukupni zapremini protoka i u obližnjim tokovima i jezerima.

Onde gde količina vode površinskog toka može biti smanjena usled zahvatanja podzemne vode ili skretanja površinske vode (npr. za piće ili navodnjavanje), MUS se uspešno koristi za uskladištenje vode i dopunu zapremine toka. AET može proceniti mogućnosti povećanja toka i isporjektovati MUS sistem kako bi se osigurala minimalna potrebna zapremina protoka.

Razumevanje sudbine vode od prihranjivanja je ključno za merenje performansi MUS sistema. Efikasnost zahvatanja (engl Recovery efficiency – RE) se uglavnom odražava u delu zahvaćene vode i može zavisiti od raznih geoloških, hidroloških i klimatskih fenomena, kao što su:

  • Uskladištena voda se proceđuje u obližnji tok kao bazni oticaj
  • Uskladištena voda se infiltrira naniže prihranjujući podinsku izdan
  • Povećavanje nivoa podzemne vode u izdani sa slobodnim nivoom omogućava gubitak kroz povećanu evapotranspiraciju

Naučnici iz AET-a koriste numeričke modele MUS sistema za simulaciju operacija uskladištenja i zahvatanja vode, ravnoteže provođenja mase i analize osetljivosti radi procene integriteta i potencijalne mogućnosti zahvatanja uskladištene vode. Tokom probnog testiranja, AET izvodi testiranje ciklusa (serija injekcije i testa crpenja) radi prikupljanja dodatnih informacija o izvodljivosti za poređenje sa rezultatima modeliranja. U slučajevima gde podaci sa terena malo odgovaraju rezultatima modeliranja, AET može steći uvid u hidrodinamiku izdani MUS sistema i menjati inženjerske i/ili operativne parametre sistema jer garantuje traženje optimizacije sistema. Rezultati modeliranja i podaci sa terena se povremeno ažuriraju i porede u  iterativnom procesu ocenjivanja.

Sistemi površinske infiltracije zahtevaju propusno zemljište i vadoznu zonu da bi doveli vodu u podzemlje i u izdan, i dovoljno propusne izdani sa slobodnim nivoom da bi bočni tok od infiltrirane vode bio moguć bez ekscesnog nagomilavanja podzemne vode. Ukoliko veštačko prihranjivanje dovoljno poveća količinu podzemne vode u izdani, može doći do smanjenja brzine infiltracije veštačkog prihranjivanja sistema. Najpouzdaniji način izračunavanja nagomilavanja podzemne vode ispod infiltracionih bazena je korišćenjem kalibrisanih modela podzemne vode. Takođe se mogu koristiti inverzni modeli kao alatka za procenu nesigurnosti prognoze modela podzemne vode kao najažnija tema u modeliranju podzemne vode. Test crpenja i nalivanja se može koristiti u cilju dobijanja reprezentativnih parametara.

Neka od pitanja na koja upravljači i operatori žele da znaju odgovor su:

  • Koliko vode može biti uskladišteno u izdan
  • Hoće li područje biti poplavljeno
  • Kako će sušni period uticati na kapacitet obižnjih bunara za pražnjenje
  • Gde će nagomilanje podzemne vode biti 20 ili 50 godina od danas

Na sva ova pitanja se može odgovoriti pomoću matematičkih modela. Zasićeni modeli podzemnih voda se obično koriste (kao što je poznati MODFLOW) ili za više preciznih podataka mogu se koristiti nezasićeni modeli (MODFLOW SURFACT).

Jednostavan nezasićeni-zasićeni 3D model korišćenjem Modflow Surfact-a.

Preuzmite PDF

Ako se koriste nezasićeni modeli, potrebni su dodatni podaci, poput Van Genuchten parametara koji daju odnos između sadržaja vode u zemljištu i hidrauličkih karakteristika vadozne zone.

Ponekad MUS sistemi postanu zagađeni, bilo geohemijskim reakcijama između uskladištene i vode koja je bila u sredini, ili po uvođenju industrijske hemikalije. AET može istražiti nastanak i distribuciju zagađenja u MUS sistemu. Ako je potrebno, procena rizika po ljudsko zdravlje može biti izvedena radi procene mogućih uticaja na potrošače. U slučajevima gde je sanacija MUS sistema nepohodna (npr. radi zaštite javnog zdravlja, ispunjavanja vladinih propisa o kvalitetu vode, ili nižih poslovnih rizika), AET može projektovati i sprovesti plan remedijacije radi ispravljanja problema.

Ponekad izliv kanalizacije može biti važan izvor vode za poljoprivredu, navodnjavanje, komercijalnu i upotrebu za piće. Potrebe vode koje nisu za piće, kao što su poljoprivreda, urbana irigacija (jezera, golf tereni, sportski tereni) obično zahtevaju više vode u odnosu na potrebe za piće. Pre prihranjivanja kroz infiltracione bazene ili druge inflitracione objekte, otpadna voda (kanalizacije) prolazi primarni i sekundarni tretman i dezinfekciju hlorom. Primarnim tretmanom sve što pluta ili tone se uklanja. Sekundarni tretman je biološki proces gde bakterije razgrađuju organske komponente u aeracionim rezervoarima. Treći tretman se satoji od filtracije kroz pesak i dezinfekcije.

Kada je poboljšanje kvaliteta vode glavni cilj prihranjivanja vodom iz kanalizacije takvi sistemi se zovu zemlja-izdan sistemi tretmana (engl. soil-aquifer-treatment – SAT). U ovim sistemima se odstranjuju sve suspendovane čestice i mikroorganizmi. Takođe koncentracija azota je veoma smanjenja denitrifikacijom, a takođe se odstranjuju i organski ugljenik i većina fosfata i metala iz vode.

Bunari za zahvatanje u blizini SAT sistema mogu crpeti 100% vraćene vode, ali alternativno bunari mogu biti locirani tako da crpe mešavinu uskladištene vode i prirodne podzemne vode. Vode iz bunara su obično bez patogena i mogu se koristiti za navodnjavanje, golf terene, protivpožarnu zaštitu, itd. Glavni razlog zašto ova voda ne može biti korišćena za piće kao takva je prisustvo reziduala organskog ugljenika, koji se sastoji od širokog spektra sintetičkih organskih hemikalija. U Kaliforniji je postavljena gornja granica od 1 mg/l ukupnog sadržaja organskog ugljenika nakon SAT.

Iskusni profesionalci u oblasti podzemne vode iz AET-a mogu da pripreme Zahtev za izdavanje dozvole za vaš MUS sistem za predaju odgovarajućim zakonodavnim agencijama. Naučnici iz AET-a su tehnički izvor za vas i na vaš zahtev mogu biti prisutni na sastanku sa vladinim zakonodavnim ili javnim predstavnicima da odgovore na pitanja koja se tiču projekta i bezbednosti vašeg MUS sistema.