Volumul 54

8/2/2019 Volumul 54

1/82

Studiu de modelare a calitii apei din bazinelehidrografice ale Roiei Montane, Abrud, ArieiMure: Evaluarea Strategiilor de Restaurare i a

Impacturilor Evenimentelor de Poluare Potenial.

Autor

Profesor Paul Whitehead

Universitatea din ReadingFacultatea de tiine Umane i de Mediu

Reading, RG6 6AB, UK

Aprilie 2007

8/2/2019 Volumul 54

2/82

2

CUPRINS

PREZENTARE SINTETIC.....................................................................................................3

1. INTRODUCERE...............................................................................................................7

2. MODELUL INCA.............................................................................................................. 9

2.1 Raiunea fundamental a modeluluii fundamentul de dezvoltare................................ 9

2.2 Elementele cheie ale INCA .......................................................................................... 15

2.3 Modelul hidrologic ........................................................................................................ 16

2.4 INCA-N: Modelul cu Azoti Amoniu ............................................................................19

3 3 APLICAII ALE INCA-N ASUPRA BAZINELOR DE RECEPIE DE LA ROIAMONTANI ASUPRA BAZINULUI HIDROGRAFIC ABRUD-ARIE-MURE .................22

3.1 Analiza datelor hidrologice ........................................................................................... 243.2 Modelarea Nitratului-Ni Amoniului n bazinele superioare de recepie......................27

3.3 Modelarea bazinului hidrografic Abrud-Arie- Mure ................................................... 29

4 UN NOU MODEL INCA PENTRU CIANURI I METALE .............................................34

4.1 Scurt prezentare a modelrii metalelori a proceselor..............................................34

4.2 Structura i ecuaiile noului model ...............................................................................34

4.3 Aplicarea modelului INCA-Mine pentru bazinul superior al Bzinului hidrografic al rurilorAbrud-Arie- Mure. ........................................................................................................... 45

4.3 Modelarea metalelor n bazinul hidrografic Abrud-Arie- Mure ..................................49 5. ANALIZA SCENARIULUI PENTRU EVALUAREA STRATEGIILOR DERECONSTRUCIE I A EVENIMENTELOR DE POLUARE POTENIAL........................54

5.1 Evaluarea impactului, lund n considerare scenariile iniiale. ...............................54

5.2 Evaluarea impactului, cnd se ia n considerare colectarea i tratarea apelor acide54

5.3 Evaluarea impactului, n funcie de scenariile de rupere a barajului ...................... 57

6. MODELUL HERMES I ACCIDENTUL DE LA BAIA MARE .......................................63

6.1 Modelul ecuaiilor de debiti de calitate a apei............................................................ 63

6.2 Modelarea accidentului de la Baia Mare ..................................................................... 64

6.3 Modelarea unui accident ipotetic la Roia Montan.................................................... 67

7. APLICAREA ANALIZEI MONTE CARLO PENTRU EVALUAREA CONCENTRAIILORDE VRF ALE CIANURII. ..................................................................................................... 70

8 CONCLUZII....................................................................................................................73

9 BIBLIOGRAFIE..............................................................................................................76

ANEXA 1 Estimarea Evaporaiei Zilnice HER i SMD................................................81

8/2/2019 Volumul 54

3/82

3

PREZENTARE SINTETIC

OBIECTIVELE STUDIULUI

Studiul are drept scop determinarea calitii apei n aval de proiectul Roia Montan din douperspective diferite:

1. Evaluarea impacturilor benefice ale remedierii polurii miniere din trecut (istorice)generate de implementarea proiectului Roia Montan.

2. Evaluarea impacturilor poteniale generate de cele mai pesimiste fenomene depoluare cauzate de proiectul Roia Montan.

MODELE I METODOLOGIE

Acest studiu utilizeaz att modelul INCA, ct i HERMES, cu date de intrare care simuleaz

condiiile de la Roia Montan, evalundu-se apoi rezultatele pentru sensibilitatea lavariabilitatea datelor folosind analiza Monte Carlo.

ORIGINILE INCA

Rezultatul unui program european de cercetare, modelul INCA - acronimul pentru INtegratedCAtchment Model - reprezint un model dinamic pe calculator de prognoz a calitii apelor dinruri. INCA-Mine simuleaz calitatea apelor afectate de activitile miniere. Modelul a fost aplicatbazinelor de recepie ale zonei Roia Montanti reelei hidrografice Abrud-Arie-Mure n aval.Modelarea este inclus n proiectul UE EUROLIMPACS (38 de instituii partenere din 19 ri) cai studiu de caz a impacturilor schimbrilor la nivelul mediului asupra metalelor din rurileEuropei.

(www.eurolimpacs.ucl.ac.uk)

MODELUL INCA

INCA simuleaz variaiile zilnice ale debitelor i calitii apei, inclusiv a nivelurilor de cadmiu,plumb, zinc, mercur, arsen, cupru, crom, mangan, amoniac i cianur. Paii urmai pentru arealiza modelarea cuprind:

1. Integrarea datelor hidrologice i de calitate a apei.2. Simularea cilori proceselor cheie hidrologice i chimice din bazinele de recepie.3. Simularea rurilor Abrud-Arie-Mure de la Abrud la Ndlac la frontiera cu Ungaria cu

calculele de diluie pn n Tisa.

4. Utilizarea modelului pentru a prevedea mbuntirea calitii apei ca urmare a controluluii remedierii polurii existente (istorice).

5. Prognozarea impacturilor posibile, generate de descrcrile accidentale, asupra calitiiapei n aval.

Modelul INCA a fost dezvoltat n ultimii 10 ani pentru a se efectua simulri ale sistemeloracvatice i terestre i pentru a modela o mare varietate de bazine de recepie. Structura de baza INCA a fost testat pe 10 bazine de recepie din Marea Britanie i 21 bazine de recepie dinEuropa n cadrul unui proiect european de cercetare. n prezent, modelul reprezint un elementcheie al programului de cercetare cadru UE 6, EUROLIMPACS (www.eurolimpacs.ucl.ac.uk)care investigheaz impacturile schimbrilor la nivelul mediului din ntreaga Europ. Modelul estebazat pe procese i este destinat pentru analiza schimbrilor la nivelul mediului, cum ar fimodificrile n ceea ce privete folosina terenurilor, nivelurile de poluare i clima. Modelul cauts ncorporeze mecanismele dominante i procesele, funcionnd astfel nct modificrile lanivel de mediu s poat fi evaluate ntr-o manier realisti rapid.

8/2/2019 Volumul 54

4/82

4

n acest studiu, modelul a fost aplicat bazinelor superioare de recepie din zona Roia Montani ntregii reele hidrografice Abrud Arie - Mure pn la frontiera cu Ungaria (i n rul Tisa nceea ce privete diluia).

Modelarea cuprinde opt metale (cadmiu, plumb, zinc, mercur, arsenic, cupru, crom, mangan), deasemenea cianura i amoniacul. Modelul a fost realizat pentru a evalua impacturile deversrilorrezultate din activiti miniere viitoare i din operaiunile de colectare i epurare a apelor acidede la Roia Montan. Modelul ia n considerare diluia, amestecul i procesele care afecteazmetalele, amoniacul i cianura din bazinul hidrografic i furnizeaz estimri ale concentraiilor npuncte cheie de-a lungul rului.Rezultatele modelului INCA prezint o evaluare a impacturilor benefice ale colectrii i tratriiapelor de min. Modelul este, de asemenea, utilizat pentru evaluarea impacturilor cauzate dedeversrile accidentale aprute n cadrul proiectului Roia Montan asupra concentraiilor decianur n rurile din aval.

Modelul Roia Montan a fost inclus n programul de cercetare i instruire din cadrul Universitiidin Cluj Napoca (30 km distan fa de Arie), astfel nct personalul didactic i studenii spoat

analiza procesele

i dinamica ce controleaz

hidrologia

i calitatea apei n bazinele de

recepie i reelele hidrografice.

MODELE I ANALIZE SUPLIMENTARE

n plus fa de INCA s-a utilizat i modelul HERMES pentru a modela oxigenul dizolvat i avalida setrile INCA. Aceasta este versiunea mai simpl a modelului INCA i poate fi utilizat camod de prognoz n timp real pentru a anticipa impacturile poluanilor n timp foarte scurt.Modelul include amoniacul i oxigenul dizolvat care pot fi afectate de descrcrile din activitileminiere. Acest model a fost testat prin comparaie cu accidentul de la Baia Mare i a fost utilizatpentru a evalua accidente poteniale de poluare de la Roia Montan.

Accidentul de la Baia Mare din anul 2000 este vzut de anumite persoane ca un motiv dengrijorare legat de impactul celui mai pesimist scenariu de la Roia Montan. Pentru a stabilirelevana unei astfel de comparaii, s-a utilizat modelul INCA pentru a simula un fenomen deprecipitaii la Roia Montan de amploarea celui de la Baia Mare.

n cele din urm, se analizeaz incertitudinea modelului prin utilizarea analizei Monte Carlo,pentru a investiga comportamentul probabil al nivelurilor de cianur n puncte cheie de-a lungulreelei hidrografice. Aceasta permite ca parametrii de tipul vitezei, dispersiei i rateidescompunerii s fie determinai ca o distribuie de valori, mai degrab dect ca valori specifice,reflectndu-se gradul de incertitudine i de variabilitate al acestor parametri. Din efectuarea a5000 de simulri s-a obinut un interval de concentraii de vrf n cadrul amplasamentelor cheielocalizate de-a lungul rurilor.

SINTEZA PRINCIPALELOR REZULTATE

Fa de cele dou obiective menionate anterior, studiul raporteaz urmtoarele rezultateprincipale:

EFECTELE DE REMEDIERE ALE PROIECTULUI ROIA MONTAN

Proiectul Roia Montan va elimina majoritatea surselor istorice de ape acide din bazineleRoia Montani Corna care n prezent polueaz cu metale cum ar fi cadmiu, plumb, zinc,arsen, cupru, crom i mangan.

EVALUAREA IMPACTULUI N CAZUL CEL MAI PESIMIST

8/2/2019 Volumul 54

5/82

5

n cazul scenariilor celor mai pesimiste de cedare a barajului, modelul INCA arat cavnd n vedere c exist o distan de 595 km a cursurilor de ap ntre zona proiectuluiRoia Montani grania cu Ungaria, vor avea loc o diluie i dispersie considerabile nbazinele hidrografice ale rurilor Arie, Murei Tisa. Concentraiile de cianur vor fi sublimitele impuse de standardele de calitate a apei din Ungaria (0,1mg/l CN WAD1) pentrururile din categoria 1, nainte de intrarea n Ungaria. n cazul comparaiei cu accidentulde la Baia Mare - nivelele de cianur vor respecta standardele pentru ap potabil dinRomnia, UE i Ungaria cu mult nainte ca rul Mure s intre n Ungaria (0,05mg/l CNTotal).

Impactul proiectului Roia Montan asupra polurii istorice

Se constat o mbuntire vizibil a calitii apelor dup colectarea i tratarea deversrilor dinmin. Tabelul 5.5 prezint mai clar mbuntirile, pentru c arat reducerea n procente ancrcrii din aval. Reducerile sunt semnificative, existnd reduceri de aproximativ 60%, iar nunele cazuri, cum ar fi pentru zinc, chiar mai mari. Acest lucru demonstreaz eficacitateaprocesului de ndeprtare a metalelor din staia de epurare a apelor, proces ce face parte dinProiectul Roia Montan.

Pierderile de metal%

Abrud n Arie Turda Ndlac

Cadmiu 79,3 81,9 80,4Plumb 6,2 17,9 27,2Zinc 92,5 93,0 93,6Mercur 0 0 0 Arsen 64,5 69,4 73,2Cupru 49,5 54,5 59,4Crom 87,4 88,5 89,9Mangan 93,9 94,7 95,5

Tabelul 5.5 Reducerea procentual a ncrcrii cu metale lund n considerare procesul de

colectare i tratare

Impactul proiectului Roia Montan, Analiza scenariului celui mai pesimist pentrucianur

Tabelul de mai jos (Tabelul 5.11 din Raport) red sintetic concentraiile de vrf ale cianurii nreeaua hidrografic n puncte cheie de-a lungul rului i anume la Ndlac (la frontier) i peTisa imediat dup confluena cu rul Mure. Tabelul indic faptul c la frontier i n Tisaconcentraiile sunt sub standardele pentru cianur cu nivelele mai sczute din Tisa reflectnddiluia suplimentar n acest ru. Studiul atrage atenia c nivelul sczut de cianuri este probabilde ateptat, avnd n vedere c noua Directiv UE cu privire la managementul deeurilorprevede valori pentru cianuri sub 10 mg/l CN WAD nainte de descrcarea sterilului n iazul dedecantare (IDS)2. Aceast valoare este de cinci ori mai mic dect standardele acceptateanterior pe plan internaional i mult mai mic dect valorile nregistrate la Baia Mare n anul2000. De fapt, concentraiile de cianur prevzute pentru proiectul Roia Montan sunt chiarmai mici dect noua valoare limit impus de UE. n consecin, orice cedare a iazului dedecantare a sterilului va ncepe cu nivele mult mai mici de cianur, chiar nainte de diluie,dispersie i degradare.

1 WAD weak acid dissociable (disociabil n acizi slabi)2

IDS: iazul de decantare a sterilului

8/2/2019 Volumul 54

6/82

6

Scenariu Concentraie de vrf de

CN WAD la Ndlac(mg/l)

Concentraie de vrf deCN WAD n Tisa imediat

dup confluena cuMureul (mg/l)

1a 0,012 0,00241b 0,022 0,00441c 0,0065 0,00132a 0,05 0,012b 0,093 0,0182c 0,025 0,005

(Tabelul 5.13 din Raport)

Concentraii de cianur n puncte cheie pentru diferite scenarii i lund n considerare diluiasuplimentar din Tisa

Pentru simularea evenimentului de la Baia Mare din anul 2000 la Roia Montan, rezultatele

(Tabelele 5.7-5.9) indic faptul c fenomenele hidrologice de amploarea celor de la Baia Marenu vor genera la Roia Montan concentraii nici pe departe asemntoare celor de la BaiaMare - att n context naional ct i internaional. ntr-adevr, n cazul unui accident, rezultateleindic faptul c la grani concentraiile de cianuri totale sunt deja mult sub limita admis destandardele pentru ap potabil din UE, Romnia i Ungaria (0,05 mg/l CN totale). Acest lucruse datoreaz n primul rnd concentraiilor mult mai mici de cianur depozitate n iaz, n spatelebarajului de la Roia Montan. Acest lucru este impus prin Directiva UE privind deeurileminiere, aplicrii celor mai bune tehnici disponibile (Best Available Techniques BAT) icapacitii de a nmagazina dou fenomene PMF3 nainte de descrcare - plus faptul c graniacu Ungaria este situat la o distan de 595 km de Roia Montan.

Impactul proiectului Roia Montan, Analiza scenariului celui mai pesimist pentru metale

Rezultatele simulrii pentru analiza scenariului celui mai pesimist pentru metale sunt redate nTabelul 5.13 din Raport, sunt reproduse mai jos i indic rezultatele scenariului 2b (care prezintcele mai mari valori ale metalelor) pentru principalele metale implicate ntr-o deversareaccidental. Toate concentraiile sunt sub standardele de clasificare pentru fluviul Dunrea iafluenii acestuia (ICPDR, TNMN Yearbook 2003).

Metal Concentraie laNdlac (grani)

mg/l

Concentraie laSzeged

mg/lCadmiu 0,0009 0,0002Zinc 0,003 0,0006Arsen 0,0037 0,0007Cupru 0,0017 0,00032Crom 0,0016 0,00031Mangan 0,0067 0,0013

(Tabelul 5.13 din Raport)

Concentraii simulate de metale n locaii cheie lund n considerare scenariul cel maipesimist

3 Viitura maxim probabil (PMF) este viitura care poate fi anticipat ca urmare a celei mai serioase combinaii de

condiii critice meteorologice i hidrologice care pot apare, n mod rezonabil, ntr-un anumit bazin hidrografic.

8/2/2019 Volumul 54

7/82

7

1. INTRODUCERE

Amplasamentul minier Roia Montan este situat n partea nord - vestic a Romniei, aa cumse indic n Figura 1.1, i este localizat n Munii Apuseni, care fac parte din Munii Carpai nTransilvania. Bazinele de recepie ale zonei Roia Montan se vars n rurile Abrud i Arie,

care mai departe se scurg n rul Mure, aa cum este ilustrat n Figura 1.2. n aval de graniaromno-ungar, rul Mure se vars n Tisa, nainte de vrsarea acestuia n fluviul Dunrea.

Mineritul din zona Roia Montan are o lung istorie, inclusiv perioadele roman i austro-ungari exist peste 140 km de galerii n care apar scurgeri de ape acide, fenomen care estei la ora actual activ. n consecin, apele de suprafai cele subterane sunt contaminate cumetale grele, avnd un impact major asupra rurilor din aval. Astfel, trebuie s se reduccantitatea de ape acide i, prin utilizarea de tehnici miniere conforme cu normele UE, s seredea calitatea apelor care se vars n rurile Abrud, Arie i Mure. Ca parte integrant aprocesului de refacere este sistematizarea operaiunilor miniere la suprafa de mare amploarepentru extracia aurului i argintului de la Roia Montan, precum i colectarea rocilor sterile ntr-un sistem nchis, cu control al scurgerilor. Aceste amplasamente de control vor fi revegetate, iar

apele acide (inclusiv scurgerile acide aprute ca urmare a polurilor istorice) vor fi colectate iepurate nainte de deversare.

Standardele de calitate a apelor

O cerin cheie a oricrei reabilitri de ru sau studiu de impact este de a evalua mbuntirilesau impacturile poteniale fa de standardele de calitate a apei. Tabelul 1.1 indic standardeledisponibile pentru metale pentru ruri, acestea fiind utilizate ca i concentraii n cursul de appe care trebuie s le respecte proiectul.

Metal Standardele romnede clasificare a

apelor de suprafamg/l

Standard de clasificareICPDR

mg/l

Standardele ungarede clasificare a

apelor de suprafamg/l

Cadmiu 0,0005 0,001 0,005Zinc 0,1 0,1 1Arsen 0,010 0,005 0,05Cupru 0,020 0,02 0,5Crom 0,025 0,05 0,2Mangan 0,05 - 2

Tabelul 1.1 Standarde de calitate a apelor pentru Romnia, Ungaria i ICPDR (ComisiaInternaional pentru Protecia Fluviului Dunrea)

Un alt parametru important de calitate a apei este cianura, a crei valoare conform standardelordin Ungaria este de 0,1 mg/l CN WAD pentru rurile din categoria 14. n ceea ce privetecianura, un standard fundamental este noul standard BAT (cele mai bune tehnici disponibile)pentru cianura din apele nmagazinate n structuri miniere. Noua Directiv UE cu privire lamanagementul deeurilor prevede c nivelul de cianur trebuie s fie sub 10 mg/l, valoare multsub standardul UE anterior de 50 mg/l.

Strategia de management a impactului

O ntrebare cheie cu privire la dezvoltarea proiectului Roia Montan este impactul strategiilorde reabilitare i scenariilor poteniale de cedare a barajului asupra calitii cursurilor de ap din

aval. n prezentul studiu, aceast ntrebare este abordat prin utilizarea unui model dinamic

428/2004. (XII. 25.) KvVM rendeleta vzszennyez anyagok kibocstsaira vonatkoz hatrrtkekr l s alkalmazsuk egyesszablyairl

8/2/2019 Volumul 54

8/82

8

complex, bazat pe proces, modelul INCA (Integrated Catchment Model) al contaminrii itransportului apelor pentru reeaua hidrografic din aval. Modelul este testat pentru bazinele derecepie din amonte i apoi aplicat asupra ntregului bazin hidrografic, pn la grania cuUngaria, la Ndlac, pe rul Mure. Sunt investigate o serie de scenarii pentru a evaluambuntirile aprute n calitatea apei dup reabilitarea propus i, de asemenea, poluareapotenial care poate aprea n cazul unei cedri a barajului. n plus, se utilizeaz un al doileamodel, HERMES, pentru a evalua managementul exploatrii bazinului hidrografic, astfel nctHERMES ar putea deveni elementul de baz pentru o avertizare anticipat sau pentru un sistemde prognoz n timp real pentru rurile Ariei Mure. Acesta ar putea fi ncorporat n sistemulde prognoz pentru fluviul Dunrea instituit de Comisia Internaional pentru Protecia FluviuluiDunrea (ICPDR). De asemenea, modelele vor fi incluse ntr-un nou suport de curs care va fioferit Universitii din Cluj-Napoca pentru a fi introdus n programa colar a acestei instituii denvmnt. Modelele vor fi, totodat, puse i la dispoziia autoritilor romne de gospodrire aapelor, astfel nct acestea s dispun de un instrument de evaluare a impactului i degestionare a resurselor de api a calitii acestora.

Figura 1.1 Romnia i localizarea Roiei Montane

8/2/2019 Volumul 54

9/82

9

Figura 1.2: Bazinul hidrografic al rului Mure, puncte cheie i bazine secundare.

2. MODELUL INCA

2.1 Raiunea fundamental a modelului i fundamentul de dezvoltare

Originile modelului INCA

Rezultatul unui program european de cercetare, modelul INCA - acronimul pentru INtegratedCAtchment Model - reprezint un model dinamic pe calculator de prognoz a calitii apelor dinruri. INCA-Mine simuleaz calitatea apelor afectate de activitile miniere. Modelul a fost aplicatbazinelor de recepie ale zonei Roia Montant i reelei hidrografice Abrud-Arie-Mure dinaval. Modelarea este inclus n proiectul UE EUROLIMPACS, ca studiu de caz al impactuluischimbrilor la nivelul mediului asupra metalelor din cursurile de ap din Europa(www.eurolimpacs.ucl.ac.uk).

INCA simuleaz variaiile zilnice ale debitelor i calitii apei, inclusiv a nivelelor de cadmiu,plumb, zinc, mercur, arsen, cupru, crom, mangan, amoniac i cianur. Paii urmai pentru arealiza modelarea cuprind:

1. Integrarea datelor hidrologice i de calitate a apei.2. Simularea cilori proceselor cheie hidrologice i chimice din bazinele de recepie.3. Simularea rurilor Abrud-Arie-Mure de la Abrud la Ndlac la frontiera cu Ungaria.4. Utilizarea modelului pentru a prevedea mbuntirea calitii apei ca urmare acontrolului i remedierii polurii existente (istorice).5. Prognozarea impacturilor posibile, generate de descrcrile accidentale, asupracalitii apei n aval.

n acest studiu, modelul original INCA-N pentru hidrologie, nitrai i amoniu a fost aplicat asuprabazinelor superioare de recepie din zona Roia Montani asupra bazinului hidrografic Abrud Arie Mure, pn la frontiera cu Ungaria. Au fost, de asemenea, incluse calcule pentru rulTisa lund n considerare debite mai mari i, n consecin, diluie sporit n Tisa.

Pentru Roia Montan s-a creat un nou model, INCA-MINE, pentru simularea a opt metale ianume cadmiu, plumb, zinc, mercur, arsen, cupru, crom i mangan, precum i simularea cianurii

8/2/2019 Volumul 54

10/82

10

i amoniacului. Modelul a fost aplicat asupra bazinelor hidrografice superioare din zona RoiaMontan, precum i asupra ntregului bazin hidrografic Abrud-Aries-Mure pn la grania cuUngaria. Modelul a fost realizat pentru a evalua impactul deversrilor rezultate ca urmare aviitoarelor activiti miniere i din operaiunile de colectare i epurare de la Roia Montan.Modelul ia n considerare diluia, amestecul i procesele care afecteaz metalele, amoniacul icianura din bazinul hidrografic i furnizeaz estimri ale concentraiilor n puncte cheie de-alungul rului. Rezultatele indic faptul c n aval vor fi obinute concentraii reduse de cianur nfuncie de condiiile specifice de curgere n ru.

Modelul INCA a fost utilizat pentru a evalua impacturile benefice ale colectrii i epurrii apelorde min i este indicat faptul c se pot obine mbuntiri substaniale ale calitii apei de-alungul bazinului hidrografic al rului. Modelul este de asemenea utilizat pentru evaluareaimpacturilor cauzate de deversri accidentale din Roia Montan asupra concentraiilor decianur existente n rurile din aval.

Modelul Roia Montan a fost inclus n programul de cercetare i instruire din cadrul Universitiidin Cluj-Napoca, astfel nct personalul didactic i studenii s poat analiza procesele idinamica ce controleaz hidrologia i calitatea apei n bazinele de recepie i reelelehidrografice.

Conceptul modelului INCA este de a furniza o reprezentare bazat pe procese a factorilor iproceselor care controleaz dinamica curgerii i calitii apei, att n componentele terestre, cti n cele acvatice ale bazinelor hidrografice, n acelai timp minimizndu-se necesarul de datei complexitatea structural a modelului (Whitehead et al., 1998a, b). Astfel, modelul INCA oferestimri zilnice ale deversrii, parametrilor de calitate i debitelor cursurilor de ap n punctedistincte de-a lungul albiei principale a rului (figura 2.1). De asemenea, modelul este semi-distribuit, astfel nct pot fi luate n considerare variaiile spaiale din utilizarea i administrareaterenurilor, dei corelaiile hidrologice ale diverselor suprafee de utilizare a terenurilor nu suntmodelate n aceeai manier ca o abordare complet distribuit, cum ar fi SHETRAN (Birkinshawi Ewen, 2000). Mai degrab, debitele hidrologice i nutritive din diversele clase de utilizare a

terenurilor i hotarele sub-bazinelor de recepie sunt modelate simultan, iar informaiile suntfurnizate secvenial ntr-un model multi-sectorial al rului.

Modelul INCA a fost testat pe 10 bazine de recepie din Marea Britanie i 21 din UniuneaEuropean, aa cum se indic n Tabelul 2.1. Amplasamentele respective includ o marevarietate de condiii climatice, geologice, soluri i tipuri de utilizare a terenurilor, distribuite spaialde la grafice i studii asupra bazinelor mici, pn la bazine hidrografice mari, de aproximativ4000 km2. Modelul INCA a devenit punctul de interes al unui proiect pan european n 1999, rileimplicate n acest proiect fiind ilustrate n figura 2.2. Scopul primar al proiectului UE INCA a fostacela de a testa dac modelul INCA poate fi generalizat i aplicat n toate tipurile majore deecosisteme din Europa de la mediile mediteraneene uscate la sistemele temperate atlantice icontinentale, pn la condiiile nordice arctice. Pe lng aceasta, modelul INCA a fost adoptat

ca parte a noului proiect EUROLIMPACS finanat de UE (vezi www.eurolimpacs.ucl.ac.uk).Acesta este un proiect major care implic 38 parteneri din fiecare ar membr UE, inclusivRomnia, cu scopul de a investiga impacturile polurii, schimbrilor climatice i ale utilizriiterenurilor asupra rurilor, lacurilori terenurilor mltinoase din Europa. Figura 2.3 ilustreazpartenerii implicai n proiectul Eurolimpacs. Aplicaiile majore ale INCA au fost publicate pnacum n dou volume speciale ale International Journals, respectiv Hidrologia i Geofizica,2002, 6, (3) i tiina Mediului Total, 2006, 365, (1-3).

Modelul INCA-N

n cadrul proiectului UE s-a realizat o revizuire detaliat a factorilor fundamentali i a proceselorcare controleaz transportul N i depozitarea, utilizndu-se att date istorice, ct i noi, cele dinurm fiind colectate ca parte a proiectului UE INCA. Ecuaiile de baz ale modelului INCA aufost dezvoltate iniial pentru mediul din Marea Britanie i acestea s-au dovedit a fi un fundamentcorespunztor pentru aplicaiile iniiale ale modelului. Cu toate acestea, pentru a acoperi o

8/2/2019 Volumul 54

11/82

11

varietate att de mare de tipuri de bazine de recepie i aspecte privind poluarea pe teritoriul UEi pentru a ncorpora cele mai recente cunotine recente privind procesele derivate din analizadatelor, unele pri din modelul INCA au fost mbuntite n funcie de (a) hidrologie, (b)reprezentarea administrrii terenurilor i (c) factorii care controleaz procesele biologice detransformare a azotului. n mod specific, aceste adaptri sunt legate adugarea volumelor deretenie a apei din sol i din subteran, perioadele mai detaliate de cretere a vegetaiei imecanismele de aplicare a fertilizatorilor, precum i controlul temperaturii i excesului deumezeal din sol (Wade et al., 2002). Lucrrile realizate n vederea recalculrii ecuaiilori aintegrrii numerice au asigurat de asemenea faptul c bilanul de mas a fost meninut demodel.

Ulterior, cadrul INCA a fost utilizat ca baz a modelului pentru fosfori a unuia pe sedimente, iarla aceast structur s-a adugat o component ecologic care simuleaz macrofitele, epifitelesau perifitonul i fitoplanctonul. n aceast seciune a raportului am trecut n revist structura debaz a versiunii pe hidrologie i azot a modelului, am descris procesele i ecuaiile de baziam ilustrat aplicarea modelului asupra bazinelor superioare de recepie de la Roia Montanidin bazinul hidrografic al rurilor Abrud-ArieMure.

8/2/2019 Volumul 54

12/82

12

Figura 2.1: Integrarea scurgerilor de suprafai a componentelor rului n modelul INCA. Lanivelul 1, recepia este mprit n bazine secundare. La nivelul 2, bazinele secundare sunt sub-divizate n 6 tipuri diferite de utilizare a terenurilor. La nivelul 3 sunt simulate transformrilechimice ale solului i sedimentrile prin utilizarea modelului celular. Diagrama ilustreaz legturadintre aportul de sedimente i componentele rului la nivelul 1: consumurile difuze din faza desedimentare sunt adugate la cele ale surselor punctuale ale efluenilor i direcionate n aval.

8/2/2019 Volumul 54

13/82

ara Amplas. /

Bazinhidrografic

Supraf.(km

2)

Folosinapredominant aterenurilor

Problemamajor

MareaBritanie

Finlanda

Germania

Frana

Olanda

Norvegia

Spania

Denemarca

Romnia

Leith HillAnt

KennetTweedOuseItchenTestTamarHafren/Hore atPlynlimon

Simojoki

Lehstenbach

Steinkreuz

KerbernezStang CauPouliouKervidyStimoesPonti-Veuzit

BuunderkampLeuvenum

SpeuldKootwijkOldebroekseheideEdese bos

BjerkreimDalelv

Fuirosos

Vestskoven(18 plots)

MuresNealjov

0,9349,3

10334390838050713439166,8

3160

4,19

0,55

0,350.860.754.91259

0,040,04

0,160,160,005

10

6193,2

16,2

Variabil

32,0003,465

Pduri i pajitiTeren arabil

Teren arabilPunimbuntite/arabilTeren arabilPunimbuntite/arabilPunimbuntite/arabilArabilPduri / pajiti

Conifere / Mlatini

Pduri de coniferePduri de foioase

Teren arabilTeren arabilTeren arabilTeren arabilTeren arabilTeren arabil

Pduri de stejarPdure de bradDouglasPdure de bradDouglasPdure de bradDouglasBuruieni

Buruieni

Pduri de conifere

Tundra arctic

Pduri i arabil

Pduri de conifere ifoioase

Pduri, teren arabilPduri, teren arabil

Acid/CC/N SatEutr.

Eutr/CC.Eutr.EutrEutrEutrEutrEutr,N,Sat,Acid

Acid

N. sat. i acid.

Eutr.Eutr.Eutr.Eutr.Eutr.Eutr.

N sat. i acidN sat. i acidN sat. i acid

N sat. i acidEutrN sat. i Eutr.

N sat. i acid

Eutr. i acid

N sat.

Metale, nutrieniNutrieni

Tabelul 2.1: Rezumat al amplasamentelor, datelori aspectelor studiate n diverse proiecteINCA. Acid = Acidificare, Eutr = Eutrofizare i N sat. = N saturare., CC= schimbri climatice

8/2/2019 Volumul 54

14/82

14

Figura 2.2: rile Partenere n Proiectul original INCA UE.

Figura 2.3: Partenerii noului proiect Eurolimpacs

LEGENDA University College London, Environmental Change Research Centre (ECRC),London (UCL); National Environmental Research Institute, Department of Freshwater Ecology,Silkeborg (NERI); Royal Holloway Institute for Environmental Research, Wetland EcosystemsResearch Group, London (RHBNC); University of Duisburg-Essen, Centre for MicroscaleEcosystem, Institute of Hydrobiology, Essen (UDE); University of Reading, AquaticEnvironments Research Centre (AERC), Reading (AERC); ALTERRA Green World Research,Team of Freshwater Ecology, Wageningen (ALTERRA); Centre for Ecology and Hydrology(Wallingford, Edinburgh, Dorset, Windermere, Bangor (NERC), Spanish Council for ScientificResearch (CSIC), Swedish Environment Research Institute, Gothenburg (IVL); Norwegian

8/2/2019 Volumul 54

15/82

15

Institute for Water Research, Oslo (NIVA); Swedish University of Agricultural Sciences,Department of Environmental Assessment, Uppsala (SLU); Finnish Environment Institute,Helsinki (SYKE); University of Innsbruck, Institute of Meteorology and Geophysics, Institute ofZoology and Limnology, Innsbruck (UIBK); University of Liverpool, School of BiologicalSciences, Liverpool (ULIV); University of Natural Resources and Applied Life Sciences, Instituteof Water Provision, Water Ecology and Waste Management, Department of Hydrobiology,Vienna (BOKU); Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR); Centre National de la Recherche

Scientifique and University of Toulouse, Laboratoire Dynamique de la Biodiversit (CNRS-UPS) Toulouse (LADYBIO); Swiss Federal Institute of Environmental Science and Technology,Departments of Water Resources, Drinking Water, Limnology, Surface Waters, Dubendorf(EAWAG); Greek Biotope/Wetland Centre, Soil and Water Resources Department, Thessaloniki(EKBY); ENTERA, Hanover; Czech Academy of Sciences, Hydrobiological Institute, eskBud jovice (HBI-ASCR); Charles University; Hydrobiological station, Blatna (HSCU);HYDROMOD Scientific Consulting, Wedel; Institute for Environmental Studies, Amsterdam(IVM); University of Leuven, Department of Biology, Laboratory of Aquatic Ecology, Leuven(KULeuven); Masaryk University Brno, Faculty of Science, Department of Zoology & Ecology,Brno (MasUniv); University of Barcelona, Department of Ecology, Barcelona (UB); Centre forEnvironmental Research Leipzig-Halle, Department of Conservation Biology and NaturalResources (CNBR), Leipzig (UFZ); University of Granada, Department of Animal Biology,Granada (UGR); University of Iceland, Institute of Biology, Reykjavik (UICE); University ofBucharest, Department of Systems Ecology and Sustainable Development, Bucharest(UNIBUC-ECO); University of Rennes, Research Unit Ecosystem Functioning and BiologicalConservation, Rennes (UR1); Utrecht University, Institute of Biology, Landscape EcologyGroup, Utrecht (UU-BIO); Russian Academy of Sciences, Water Problems Institute, Moscow(WRI-RAS); Trent University, Environmental and Resource Studies, Ontario (TRENTU);Macaulay Land Use Research Institute, Aberdeen (MI); Czech Geological Survey, Prague(CGS)

2.2 Elementele cheie ale INCA

Modelele INCA au fost elaborate pentru a investiga proveniena i distribuia apelor i apoluanilor n mediul acvatic i terestru. Modelele simuleaz cile de curgere i traseele fluxurilorpoluante cum ar fi N, P i metalele din sol i din ecosistemele acvatice. Exist 5 componente alesistemului de modelare INCA:

1. O interfa GIS care determin limitele bazinelor de recepie secundare i calculeazzonele cu diferite tipuri de utilizri ale terenurilor din fiecare bazin secundar.

2. Un model de calculare a masei totale a admisiilor din toate sursele n fiecare bazinsecundar, reprezentnd grafic depunerile umede i uscate i alte intrri cum ar fiutilizarea substanelor fertilizatoare, n funcie de folosina terenurilor.

3. Un model hidrologic care simuleaz debitul precipitaiilor reale n zonele reactive i cuape subterane ale bazinelor de recepie i n cadrul rului nsui. Aceast component a

modelului conduce debitele de poluare prin bazinul de recepie.4. Modelul bazat pe procesul de captare simuleaz transformrile poluantului n sol i apele

subterane ale bazinului de recepie.5. Modelul procesului de poluare a rului simuleaz diluia, transformrile i pierderile din

sistem. Ieirile din fiecare bazin secundar (componenta 4 de mai sus) asigur fluxulmasei n sectorul respectiv al rului i transformrile componentelor modelului de calitatea rului, aa cum este indicat n Figura 2.1.

INCA reprezint un pachet software de modelare, constnd n componentele 3, 4 i 5 de maisus. Componentele 1 i 2 reprezint operaiile de pre-procesare necesare pentru stabilireaparametrilori fiierelor de date pentru INCA.

INCA a fost proiectat pentru a fi uori rapid de utilizat, cu rezultate grafice deosebite. Sistemulde meniu permite utilizatorului s specifice natura semi-distribuit a bazinului hidrografic sau de

8/2/2019 Volumul 54

16/82

16

recepie, pentru a modifica lungimea sectorului, coeficienii de rat, utilizarea terenului, relaiileflux vitezi pentru a diversifica sarcinile de depunere ale poluanilor.

INCA furnizeaz urmtoarele rezultate:

Seriile zilnice ale debitelor i rezultatele privind calitatea apei, de exemplu: metale,cianuri, nitrai i concentraiile de amoniu, pe amplasamentele selectate de-a lungulrului;

Profilurile debitelor sau ale calitii apei de-a lungul rului la intervale selectate; Frecvente cumulative de distribuie a debitelor i calitatea apei la amplasamentele

selectate; Tabelul statistic al tuturor amplasamentelor; Analize zilnice i anuale privind calitatea apei pentru toate utilizrile terenurilori pentru

toate procesele. Reprezentri 3D pentru debitul i calitatea apelor; Schie temporale de reacie a solului i a apelor subterane; Rezultatele seriilor temporale pentru transferul ctre alte pachete de analiz, de exemplu

Excel;

Proceduri de salvare a seturilor de parametri modificai; Rezultatele scenariilor de simulare prezentate grafic sau ca fiiere de ieire.

2.3 Modelul hidrologic

Modelul hidrologic furnizeaz informaii cu privire la debitul care se deplaseaz prin sol, prinapele subterane i prin bazinul hidrografic. Figura 2.4 ilustreaz modelul hidrologic ca un sistemsimplu, cu 2 compartimente cu precipitaii efective care se deplaseaz prin sol i apoi fie sencarc n sistemul apelor subterane, fie se scurg n ru. Apele subterane sunt de asemeneadirecionate n captrile rului dup o ntrziere dat de timpul de retenie.

Figura 2.4 - Structura modelului celular utilizat pentru a simula procesele hidrologice iprocesele N, precum i mecanismele de transport n cadrul componentei terestre a modeluluiINCA-N.

Modelul debitului pentru cele dou zone din sistemul componentelor vegetale/ale solului din

modelul INCA este

Direct Runoff Flow

Groundwater Flow

Soil Flow

Surface Zone

Soil Zone

G

ro

u Zn od n

w eat

er

Effective Rainfall

8/2/2019 Volumul 54

17/82

17

Zona soluluidx

dt TU x

1

1

1 1

1= ( ) (1)

Zona apelor subterane )(1

218

2

2 xxUTdt

dx= (2)

unde x1 i x2 sunt debite de ieire (m3 s-1) pentru cele dou zone, iar U1 este intrarea

precipitaiilor efective (HER). T1 i T2 sunt constante de timp asociate cu zonele, iar U8 esteindexul debitului de baz (ex. proporia de ap transferat n zona cu ap subteran mairedus). Datele HER pot fi obinute din analiza datelor prin utilizarea datelor standard colectatepe plan local sau naional. Ieirile din compartimentele de sol i din apele subterane suntdeversate n ru i sunt apoi direcionate de-a lungul bazinului rului, aa cum se indic nFigura 2.5.

Figura 2.5 Procesele din cadrul rului i structura seciunilor rului

Modelul debitului rului este bazat pe ecuaiile de mas ale nivelurilor reduse i utilizeaz odescriere multi-sectorial a bazinului hidrografic al rului. n cadrul fiecrei seciuni, variaiadebitului este determinat printr-un model neliniar de rezervor. n termenii de direcionare adebitului hidrologic, relaia dintre aflux, I, eflux, Q i sedimentare, S, n fiecare sector estereprezentat de

dS t

dt I t Q t

( )

( ) ( )= (3)

unde, S(t) = T(t)*Q(t), Teste un parametru de timp, care poate fi exprimat ca

8/2/2019 Volumul 54

18/82

18

T tL

v T( )

( )= (4)

L este lungimea sectorului i v, viteza medie a debitului n seciune (m s-1), este legat dedeversare, Q prin

)()( taQtv b= (5)

unde a i b sunt constante care trebuie estimate din experimentele cu atomi-trasori sau dinabordarea aspectelor teoretice.

Dei acest model este relativ simplu, este totui eficient n simularea debitelor de-a lungulrurilor aa cum se indic n aplicaiile de la Bedford Ouse i dintr-o gam larg de alte sisteme(Whitehead et al, 1979, 1981).Ecuaiile sunt rezolvate utilizndu-se o metod Runga Kutta deordinul patru cu o lungime de integrare Merson variabil. Aceasta permite integrarea numericstabil a ecuaiilor i reduce problemele numerice. Avantajul acestei scheme este acela cefortul tiinific poate fi direcionat mai degrab spre asigurarea formulrii corecte a proceselorispre interaciune, dect spre problemele de stabilitate numeric.

Modelul hidrologic utilizeaz precipitaiile efective (HER) indicate n figura 2.6 pentru a conducemodelul i genereaz fluxurile din soluri i din sistemul apelor subterane. Timpii de retenie dinmodel controleaz comportamentul de retragere din zona de recepie i din zonele de sub-captare supradimensioneaz debitele pentru a furniza debitul total al captrii. Un model tipic desimulare a rului Twyi este oferit n figura 2.7, i indic o foarte bun coresponden. Aceastsimulare hidrologici alte rezultate sunt oferite n urmtoarele seciuni i n referinele de maijos.

Figura 2.6 1992 - Date hidrologice pentru rul Tywi din sudul rii Galilor

8/2/2019 Volumul 54

19/82

19

Figura 2.7 Debitele rului Tywi observate i simulate la Ffinnant n 1992

2.4 INCA-N: Modelul cu Azot i Amoniu

Modelul hidrologic furnizeaz informaii cu privire la fluxul care se deplaseaz prin sol, prin apelesubterane i prin bazinul hidrografic. Simultan, n timpul rezolvrii ecuaiilor de debit esteposibili rezolvarea ecuaiilor privind echilibrul maselor att pentru raportul nitrat-nitrogen ct ipentru raportul amoniu-nitrogen, n ambele zone: cu sol i cu ape subterane. Procesele cheiecare necesit modelarea n zona cu sol, aa cum se indic n Figura 2.8, sunt absorbia nplante a NH4-N i NO3-N, nitrificarea amoniului, denitrificarea NO3-N, mineralizarea amoniului,imobilizarea acestuia i fixarea N. Toate aceste procese vor varia n funcie de utilizarea

terenului i este necesar un set generalizat de ecuaii pentru care vor fi derivate seturi deparametri n funcie de diversele utilizri ale terenului. Faza de uscat a modelului trebuie deasemenea s justifice toate intrrile care afecteaz fiecare utilizare a terenului, inclusivdepozitrile uscate i umede ale NH4-N i NO3-N i adugarea ngrmintelor att pentru NH4-N i pentru NO3-N (ex: azotat de amoniu). De asemenea, temperatura i umiditatea solului vorcontrola anumite procese astfel nct, de exemplu, cinetica reaciilor de nitrificare s fiedependent de temperatur, iar denitrifierea i mineralizarea depind att de temperatur, ct ide umiditatea solului.

Figura 2.8Intrrile, ieirile i procesele cheie n componenta azotului

Din zona apelor subterane se presupune c nu apar reacii biochimice i c nu exist ecuaiiprivind echilibrul masei pentru NH4-N i NO3-N. Ecuaiile utilizate n INCA sunt dup cumurmeaz:

8/2/2019 Volumul 54

20/82

20

NITRAT-N

Zona solului 2351563733131

3 )(1

CxUCxCxUCxxUVdt

dx++= (6)

Apele subterane)(

142813

2

4

xxUxxVdt

dx

= (7)

AMONIU-N

Zona solului 58675657105141

5 )(1

xCUCxCxUCxxUVdt

dx++= (8)

Apele subterane )(1

62815

2

6 xxUxxVdt

dx= (9)

Unde x3 i x4 sunt concentraiile zilnice de NO3-N (mg/l) n zona solului i respectiv a apelorsubterane, iarx5ix6 sunt concentraiile zilnice de NH4-N (mg/l), din zona de sol i respectiv deape subterane.

U8 reprezint indicele debitului iniial, iarC3, C6, C1, C2, C10, C7, C8 sunt coeficienii de valoare(pe zi) pentru absorbia n plante a nitratului, nitrificarea amoniului, denitrificarea nitratului,fixarea acestuia, absorbia amoniului n plante, mineralizarea amoniului i imobilizareaamoniului. U3i U4 sunt sarcinile zilnice de nitrat azot i amoniu azot care intr n zona desol i constituie depunerea uscati umed suplimentar, precum i intrrile din agricultur (ex.adugarea substane fertilizatoare). Toi coeficienii de valoare sunt dependeni de temperatur,utiliznd ecuaia:

)20(047.1

= snn CC (10)

Unde s este temperatura solului estimat dintr-o relaie sezonier dependent de temperaturaaerului, dup cum urmeaz

+=

365

.

2

3sin16

nrziCAeruluiaTemperaturSoluluiaTemperatur (11)

Unde C16este temperatura maxim, (oC), diferena maxim de temperatur ntre vari iarn.

U7 este un indice sezonier de cretere a plantelor unde:

[ ]

+=

365

.2sin34.066.0 117

CnrziU (12)

Unde C11 este numrul zilei asociat cu nceperea sezonului de cretere, U5 este o limit aumezelii solului sub care nu apare denitrificarea. Denitrificarea va fi semnificativ numai cndnivelele de umezeal a solului sunt ridicate. n mod similar, U6 este un indice al umezelii soluluipentru mineralizare, ceea ce permite mineralizarea cnd coninutul de ap din sol depetenivelul de prag.

Ecuaia procesului cu azot: bazinul hidrografic

8/2/2019 Volumul 54

21/82

21

n ru, procesele cheie sunt denitrificarea NO3-N, nitrificarea NH4-N i bilanul masei. Ecuaiilede mas ale seciunilor trebuie s includ valorile NO3-N i NH4-N din amonte i mpreun cuintrrile din zona solului i a apelor subterane, precum i descrcrile directe ale efluenilor, aacum s-a indicat n Figura 2.5.

Ecuaiile pentru NO3-N i NH4-N pe seciunile rului sunt:

Nitrat 914817879103

8 )(1

xCxCxxUUVdt

dx+= (13)

Amoniu 9314979113

9 )(1

xUCxxUUVdt

dx= (14)

unde U9 este fluxul din amonte (m3/S), U10 este NO3-N (mg/l) din amonte, iar U11 este NH4-N

(mg/l) din amonte, T3 este constanta de timp (sau timpul de retenie) care variaz de la zi la zi,x7 este debitul estimat de curgere din aval (m

3/S), iar x8 i x9 sunt concentraiile din aval(rezultate din seciune) ale nitrailor i respectiv amoniului, i C17 i C18 sunt parametrii

dependeni de temperatur pentru denitrificare i respectiv nitrificare. Efectele temperaturii suntintroduse cu privire la temperatura apei rului dup cum urmeaz:

C8 = C81,047(

-20) (15)

Dei aceste trei ecuaii sunt destul de complexe, soluia numeric este extrem de rapid, astfelnct derularea modelului dureaz numai cteva secunde.

8/2/2019 Volumul 54

22/82

22

3. APLICAII ALE INCA-N ASUPRA BAZINELOR DE RECEPIE DELA ROIA MONTANI ASUPRA BAZINULUI HIDROGRAFIC ABRUD-ARIE-MURE

Bazinele superioare de recepie din zona Roia Montan includ 4 bazine separate, respectivRoia, Corna, Slite i Abruzel, aa cum se indic n figura 3.1. Zonele celor patru bazine ausuprafee de 14,56, 9,93, 4,53 i 13,76 km2 , iar lungimile rurilor sunt de 8, 5, 4 i respectiv 7km. Chimismul variaz semnificativ n bazinele de recepie, aa cum s-a indicat n tabelul 3.1,deoarece au diferite grade de contaminare generate de activitile miniere istorice. Deasemenea, chimismul gurilor de foraj i al puurilor de min, indicat n tabelul 3.2, indicnivelurile foarte ridicate ale polurii actuale cauzat de scurgerea apelor acide prin zoneleminiere vechi. naintea oricrei alte modelri a calitii apelor, este necesar stabilirea bilanuluihidrologic al apei pentru bazinele de recepie, utiliznd datele nregistrate cu referire laprecipitaii i la nregistrrile meteorologice aferente zonei.

Figura 3.1: Bazinele secundare de recepie de la Roia Montan

8/2/2019 Volumul 54

23/82

23

Amplasament Prul Slite Prul Abruzel S002Nr de probe 15 15

Tip MIN MAX MEDIU MIN MAX MEDIU

NO3 (as N)_mg/l 0,02 36,20 8,31 0,05 1,18 0,64

AsD_g/l 0,00 90,00 14,18 0,00 22,10 5,94

CdT_g/l 0,00 15,70 4,41 1,29 73,20 19,04

CdD_g/l 0,00 14,80 3,89 0,00 68,40 17,58

CuT_g/l 1,80 161,90 40,23 98,00 3175,70 835,19

CuD_g/l 0,00 59,40 13,68 65,30 3062,60 697,51

PbT_g/l 0,00 5,70 1,05 0,00 6,40 1,06

PbD_g/l 0,00 4,25 0,70 0,00 5,30 0,70

ZnT_g/l 58,20 3258,60 780,33 45,50 3763,50 766,29

ZnD_g/l 20,40 2830,70 616,64 42,60 3353,00 733,51

ZnD_meql 0,00 0,09 0,02 0,00 0,10 0,02

CrT_g/l 5,95 691,40 70,55 3,50 278,17 44,56Mn_mg/l 1,11 985,00 80,27 0,01 1121,00 77,25

Mn_meql 0,04 1,82 0,53 0,00 0,23 0,09

Hg_g/l 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Amplasament Roia S010 Corna S004

Nr de probe 15 15

Tip MIN MAX Mediu MIN MAX Mediu

NO3 (as N)_mg/l 0,37 10,24 2,43 0,21 2,31 0,72 AsD_g/l 2,15 46,90 13,28 0,42 63,40 8,68

CdT_g/l 1,90 432,00 59,62 0,00 20,40 3,47

CdD_g/l 1,70 378,00 51,63 0,00 12,70 2,52

CuT_g/l 134,00 1216,00 472,55 3,90 1020,00 120,44

CuD_g/l 44,30 933,00 343,91 2,10 992,00 72,64

PbT_g/l 0,00 16,80 2,39 0,00 12,10 2,23

PbD_g/l 0,00 14,20 1,82 0,00 3,80 1,07

ZnT_g/l 138,00 14825,00 5332,71 11,20 463,00 146,53

ZnD_g/l 142,00 9243,00 3730,09 4,50 439,00 76,65

ZnD_meq/l 0,00 0,28 0,11 0,00 0,01 0,00

CrT_g/l 4,20 1438,00 155,69 0,00 46,40 12,32

Mn_mg/l 12,38 90,00 40,46 0,03 8,74 2,33

Mn_meql 0,45 3,28 1,47 0,00 0,32 0,08

Hg_g/l 0,00 0,16 0,05 0,00 0,00 0,00

Tabelul 3.1: Date privind chimismul celor 4 bazine superioare de recepie

8/2/2019 Volumul 54

24/82

24

Amplasament Galeria Roia R085 Forajul Roia R087

Nr de probe 15 15Tip MIN MAX MEDIU MIN MAX MEDIU

NO3( as N) mg/l 0,084 43,56 4,12 0,18 4,32 0,95

AsD_g/l 0,000 1738,000 361,184 0,00 32,60 5,94CdT_g/l 26,400 875,000 331,093 0,00 5,80 1,94CdD_g/l 26,800 814,000 294,627 0,00 4,40 1,03CuT_g/l 366,0 12370,0 3361,5 5,000 315,600 77,461CuD_g/l 304,00 4705,00 2320,45 0,000 135,000 35,721PbT_g/l 2,50 266,00 59,01 0,00 83,00 19,35PbD_g/l 1,800 246,000 50,371 0,00 78,30 14,70ZnT_g/l 1672,40 169313,00 52288,57 14,6 405,0 119,1ZnD_g/l 1552,00 151230,00 44174,92 3,60 103,60 33,75

ZnD_meq/l 0,047 4,628 1,352 0,000 0,003 0,001CrT_g/l 52,00 14650 2387,84 7,60 878,81 129,04Mn_mg/l 18,52 77200 5381,40 0,051 5394 361,862Mn_meql 0,67 17,31 8,73 0,002 0,624 0,095Hg_g/l 0,000 0,310 0,106 0,000 0,100 0,012

Amplasament Galeria Corna C122 Forajul Corna C166

Nr de probe 15 15Tip MIN MAX MEDIU MIN MAX MEDIU

AsD_g/l 0,00 651,80 57,91 2,00 15,10 5,16CdT_g/l 0,00 54,30 17,61 0,00 15,40 4,87CdD_g/l 0,00 44,50 12,21 0,00 10,40 3,15

CuT_g/l 1,60 194,10 68,74 1,20 109,00 17,29CuD_g/l 2,80 149,00 55,72 0,00 27,00 5,85PbT_g/l 4,40 51,10 14,87 0,00 67,20 16,45PbD_g/l 0,00 36 8,94 0,00 49,60 8,21ZnT_g/l 28,40 12590 4316,13 6,80 422,90 109,42ZnD_g/l 7,00 10380 3637,39 6,00 431,00 62,09

ZnD_meq/l 0,0002 0,3176 0,1113 0,0002 0,0132 0,0019CrT_g/l 3,50 2964,25 379,02 0,90 588,15 57,01Mn_mg/l 0,02 603000 40441,94 0,02 9600 647,08Mn_meql 0,001 26,392 10,272 0,001 1,158 0,281Hg_g/l 0,00000 0,14000 0,02540 0,00000 0,16500 0,03707

Tabelul 3.2: Date privind chimismul pentru forajele selectate i pentru galeriile de probare

3.1 Analiza datelor hidrologice

Datele de intrare solicitate de modelul INCA-N sunt cele referitoare la precipitaiile zilnice reale(mm zi-1), precipitaii efective (mm zi-1), deficitul de umiditate a solului (mm) i temperaturaaerului (oC). Datele privind debitul observat sunt utilizate pentru compararea predic iilor curealitatea pentru a evalua performana modelului.

Modelul a fost aplicat n patru bazine de recepie: Abruzel (AW01), Corna (CW01), Roia(RW01) i Slite (SW01). Aplicaiile au fost bazate pe urmtoarele date.

Precipitaiile zilnice, temperatura minim i maxim a aerului, orele cu lumin solar idatele de evaporaie real de la staia meteo din Valea Roia (tabelul 3.3);

8/2/2019 Volumul 54

25/82

25

Datele privind precipitaiile zilnice de la staiile meteo de pe Vrful Rotunda, Cmpeni iAbrud (tabelul 3.3)

Datele privind debitele la fiecare 15 minute din patru puncte de monitorizare cantitativ adebitului, una n fiecare bazin studiat (Tabelul 3.4)

Estimrile zonelor de recepie i lungimea canalelor principale (Tabelul 3.5).

nceput Final FrecvenStaia meteo aproiectuluiPrecipitaii 22/03/2001 20/07/2006 evenimentTemperaturi minime imaxime

23/08/2001 30/06/2006 zilnic

Orele cu radiaiesolar

20/03/2001 30/06/2006 zilnic

Evaporaia real 01/04/2001 30/6/2006 zilnic

Vrful RotundaPrecipitaii 01/01/2000 31/12/2005 zilnic

CmpeniPrecipitaii 01/01/1999 31/12/2005 zilnic

AbrudPrecipitaii 01/01/1978 31/12/1999 zilnic

Tabelul 3.3: Un rezumat al datelor meteo furnizate pentru aplicarea modelului INCA-N pe patruamplasamente de la Roia Montan.

nceput Final Frecven Abruzel 12/06/2001 31/06/2006 15 minuteCorna 13/04/2001 31/06/2006 15 minute

Roia 03/04/2001 31/06/2006 15 minuteSlite 19/03/2001 25/08/2004 15 minute

Tabelul 3.4: Un rezumat al datelor referitoare la debite furnizate pentru aplicarea modeluluiINCA-N pe patru amplasamente de la Roia Montan.

Zona de recepie(km2)

Lungimea seciunii(m)

Abruzel 13,76 7000Corna 9,93 5000Roia 14,56 8000

Slite 4,53 4000Tabelul 3.5 - Un rezumat al caracteristicilor bazinelor de recepie furnizate pentru aplicareamodelului INCA-N pe patru amplasamente de la Roia Montan.

Estimrile precipitaiilor semnificative din punct de vedere hidrologic i deficitul de umiditate asolului la Staia Meteo a Proiectului au fost calculate dup cum urmeaz:

Evapotranspiraia potenial a fost estimat prin utilizarea metodei Thornthwaite (1948)bazat pe temperatura medie a aerului i pe lungimea zilei, ultima fiind dependent delatitudine;

Evaporaia real, HER i SMD au fost calculate prin utilizarea ecuaiilor bazate pe cele datede Bernal et al. (2004) utiliznd evapotranspiraia poteniali real.

8/2/2019 Volumul 54

26/82

26

Metodele detaliate ale lui Thornthwaite i Bernal sunt incluse n Anexa 1. Figura 3.2 ilustreazrezultatele obinute prin utilizarea tehnicilor de mai sus pentru a produce datele de intrare pentruINCA. Estimrile precipitaiilor reale zilnice semnificative din punct de vedere hidrologic suntexprimate grafic mpreun cu temperatura i deficitul de umiditate din sol pentru o perioad de 5ani din luna mai 2002. Figura 3.3 indic simularea hidrologic a trei bazine de recepie careofer o bun coresponden cu datele observate i o bun reprezentare a reaciei bazinului derecepie5. Prin urmare, debitele simulate prezentate n figur reprezint o estimare a apelorbazinului hidrografic.

Figura 3.2: Precipitaiile reale, HER, deficitul de temperaturi umiditate din sol pentru bazinelesuperioare de recepie de la Roia Montan

5 Bazinul Slite, figura 3.4, este mai lipsit de acuratee, din cauza iazului de decantare activ. Astfel, nivelurile

debitelor nu reflect precipitaiile.

8/2/2019 Volumul 54

27/82

27

Figura 3.3: Hidrologia simulati observat pentru bazinele superioare de recepie.

Figura 3.4: Hidrologia simulati observat pentru Valea Slitei

3.2 Modelarea Nitratului-N i Amoniului n bazinele superioare de recepie

Modelul a fost de asemenea realizat pentru a simula nitratulazotul i amoniul n bazinele derecepie. Pentru stabilirea azotului i a amoniului, modelul presupune cunoaterea chimismuluiapelor subterane i coeficienii de valoare pentru o gam variat de procese cum ar fi nitrificareai denitrificarea. n timp ce datele privind chimismul sunt disponibile pentru pu uri de foraj ipraie, aa cum se indic n tabelele 3.1 i 3.2, exist puine informaii privind coeficienii devaloare ai proceselor. Cu toate acestea, din proiectele INCA i din modelarea anterioar existcunotine considerabile asupra vitezelor proceselor tipice utilizate n asemenea captri i

aceste viteze au fost selectate pe baza experienei anterioare (Whitehead et al, 1998). Osimulare tipic pentru bazinul de recepie Corna este prezentat n figura 3.5 pentru perioada2004 - 2006 i, aa cum se vede, azotul simulat este n general redus, aa cum e de ateptatpentru un bazin de recepie izolat din muni, departe de centrul polurii cu azot. Figura 3.6 indicrezultatele simulrii prezentate ntr-o form statistic pentru bazinul de recepie Corna, peperioada 2002-2006 iar valoarea medie a chimismului nitrailor este de 0,88 mg/l n comparaiecu valoarea real msurat de 0,72 mg/l. Nivelurile de amoniac sunt reduse, reflectnd intrrireduse de amoniac din atmosfer, precum i amoniul limitat din agricultur i procesele denitrificare care apar n soluri i n apele praielor. Figurile 3.7 i 3.8 ilustreaz simularea de laRoia pentru perioada 2002-2006 i sunt observate modelele uniforme ale nitratului iamoniacului, din nou cu concentraii n general reduse.

8/2/2019 Volumul 54

28/82

28

Figura 3.5: Simulrile de Nitrat-N i Amoniu pentru bazinul de recepie Corna

Figura 3.6: Analiza statistic a bazinului de recepie Corna pe perioada 2002-2006

8/2/2019 Volumul 54

29/82

29

Figura 3.7 Simulrile de la Roia n perioada 2002-2006

Figura 3.8 Rezultatele statistice ale INCA pentru simularea din bazinul de recepie de la Roia

3.3 Modelarea bazinului hidrografic Abrud-Arie- Mure

Urmtoarea etap a modelrii INCA-N este aceea de a dimensiona modelul pn la suprafaatotal a bazinului de recepie pentru a simula bazinul hidrografic de la Roia Montan pn n

aval la Abrud i bazinul hidrografic al Arieului pn la Turda, iar apoi n aval pe rul Murepn la grania ungar, la Ndlac. Figura 1.2 ilustreaz bazinul de recepie al bazinuluihidrografic al Mureului i indic seciunea superioar a oraului Cmpeni, care se situeaz

8/2/2019 Volumul 54

30/82

30

imediat n aval de Roia Montan. Figurile 3.9 i 3.10 ilustreaz utilizarea terenului i cotelebazinului de recepie. Utilizarea terenului este reprezentat n principal prin pduri i pajiti nseciunile superioare, dei n seciunile inferioare ale rului Mure sunt terenuri arabile. Tabelul3.6 ofer o list a staiilor hidrometrice cheie din cadrul bazinului hidrografic al rului i deasemenea, distanele pn la ruri i la zonele de recepie. Aceast informaie a fost utilizatpentru a stabili structura seciunilor pentru modelul INCA, aa cum se indic n tabelul 3.7. Deasemenea, sunt incluse n tabel parametrii a i b pentru ruri. Aceti parametrii sunt necesaripentru a calcula timpii de curgere de-a lungul rului utiliznd ecuaia (5) de mai sus. Parametrii ai b au fost obinui prin utilizarea ecuaiei lui Manning,

nRSv /67.05.0= (16)

unde v este viteza apei n m/s, S este panta, R raza hidraulic, iar n este factorul de friciuneManning. Pentru ruri puin adnci i largi R reprezint profunzimea debitului local, conform luiBeven (2000), iar n poate fi obinut din cercetri pe teren. USGS au publicat valori ale lui n pentruo serie de ruri (vezi:http://www.rcamnl.wr.usgs.gov/sws/fieldmethods/Indirects/nvalues/index.htm) iar valorile pentrururile Ariei Mure sunt estimate la 0,043 i respectiv 0,033. Pantele rurilor sunt disponibile

din tabelul 3.6 i deci prin estimarea adncimii medii sau a razei hidraulice a rurilor se potestima vitezele medii. Utiliznd aceast procedur, valorile a i b au fost estimate pentru ruri, aacum s-a indicat n tabelul 3.7. Acestea sunt utilizate n modelul INCA pentru a calcula viteza zilnica prului.

Modelul a fost stabilit pentru toate seciunile artate n tabelul 3.7 i s-a realizat un set de simulriutilizndu-se datele din 2002-2006 pentru a simula debitul, nitraii i amoniul din bazinul hidrografic.

Figura 3.9 Utilizarea terenurilor n bazinul hidrografic Mure

8/2/2019 Volumul 54

31/82

31

Figura 3.10 Creterile din bazinul hidrografic al Mureului

CoordonateNumrsec. Rul

Staiahidrometric

Datanceperi

i Latit. Longit.Altitudinea(m)

Zona derecepie (km2)

1 Mure Suseni 1949 46.39.00 25.33.00 987 1602 Mure Toplia 1986 46.55.00 25.22.00 935 10713 Mure Stnceni 1949 46.58.00 25.11.00 967 15324 Mure Galaoaia 1982 46.58.00 24.55.00 988 2135

5 Mure Glodeni 1956 46.38.00 24.36.00 849 37816 Mure Ludu 1987 46.28.00 24.07.00 670 66407 Mure Ocna Mure 1901 46.23.00 23.52.00 703 99618 Mure Alba Iulia 1870 46.04.00 23.35.00 625 180559 Mure Acmariu 1977 45.56.00 23.55.00 635 1973710 Mure Gelmar 1978 45.54.00 23.13.00 640 2026011 Mure Branisca 1870 46.56.00 22.46.00 654 2450112 Mure Savarsin 1883 46.00.00 22.13.00 643 2570713 Mure Radna 1853 46.05.00 21.41.00 627 2676014 Mure Arad 1861 46.10.00 21.19.00 618 2728015 Mure Nadlac 1960 46.08.00 20.40.00 607 2785027 Arie Scrioara 1951 46.27.00 22.52.00 1126 203

28 Arie Albac 1989 46.28.00 22.57.00 1092 33029 Arie Cmpeni 1951 46.22.00 23.01.00 1020 63730 Arie Baia de Arie 1899 46.25.00 23.17.00 965 118931 Arie Buru 1973 46.30.00 23.36.00 948 200032 Arie Turda 1899 46.35.00 23.47.00 897 240333 Albac Albac 1978 46.28.00 22.00.00 1110 9436 Abrud Abrud 1962 46.17.00 23.60.00 861 10837 Abrud Cmpeni 1978 46.21.00 23.39.00 840 222

Tabelul 3.6 Caracteristicile seciunilor Mure, Ariei Abrud

8/2/2019 Volumul 54

32/82

32

Nr. sec. Denumirea seciunii Zona de recepie km2 Lungimea seciunii m a b1 Source 91 11000 0.1 0.67

2 Corna 10 3000 0.1 0.67

3 Abrud 5 1500 0.1 0.67

4 Slite 73 1500 0.1 0.675 Roia 20 7000 0.1 0.67

6 Confluena Abrud-Arie 625 4000 0.1 0.677 Lupsa 220 13500 0.1 0.67

8 Baia de Arie 332 13000 0.1 0.679 Salciua 200 14000 0.1 0.67

10 Buru 611 28000 0.1 0.67

11 Turda 403 20000 0.1 0.67

12 CmpiaTurzil 200 11000 0.1 0.67

13 Luncani 6640 13500 0.04 0.67

14 Ocna Mure 400 22000 0.04 0.6715 Aiud 500 33000 0.04 0.67

16 Teiu 7194 29000 0.04 0.6717 Alba Iulia 400 30000 0.04 0.67

18 Aemariu 1680 26000 0.04 0.67

19 Ortie 510 25000 0.04 0.6720 Gelmar 2000 21000 0.04 0.67

21 Deva 600 28000 0.04 0.67

22 Branisca 640 27000 0.04 0.67

23 Zam 600 40000 0.04 0.67

24 Svrin 600 32000 0.04 0.6725 Radna 1053 76000 0.04 0.67

26 Arad 520 39000 0.04 0.67

27 Nadlac 570 36000 0.04 0.67

Tabelul 3.7 Structura seciunilor INCA de la sursa Abrud pn la Ndlac

Simulrile modelului n perioada 2002 -2006 pot fi reprezentate printr-un numr de metode ilustratepentru rezultatele din bazinele superioare de recepie. Figura 3.11 ilustreaz matricea debitelor ntimpul unui eveniment meteo extrem de var i ilustreaz formarea fluxurilor de-a lungul bazinuluihidrografic. Aceasta este preconizat datorit creterii foarte mari din zona de recepie, deoarece rulArie se unete cu Mureul i afluenii majori se vars n aval n bazinul hidrografic. Aceast creteremajor n regimul debitelor constituie un mare avantaj pentru strategiile de remediere i control alpolurii la Roia Montan, deoarece nseamn c diluia poluanilor va fi semnificativ. Cretereadebitelor este reflectat n figura 3.12 care indic un profil n avalul sistemului ntr-o anumit zi a anului.Din nou, debitele se formeaz n avalul seciunilori exist o matrice variabil cu nitrat-N i amoniu, cuformarea nitratului pe m

sur

ce apa bogat

n nitrat se vars

n ru, odat

cu descre

terea amoniului

deoarece procesele naturale de nitrificare reduc concentraiile.

8/2/2019 Volumul 54

33/82

33

Figura 3.11 Modelele debitului de-a lungul bazinului hidrografic Arie- Mure (adic seciunile 1-27) nfiguri comportamentul debitului timp de 20 de zile, indicat pe parcursul unui eveniment extrem nluna februarie 2004

Figura 3.12 Debit, nitrat ca N i profilul amoniului n avalul rului n data de 9 ianuarie 2004

8/2/2019 Volumul 54

34/82

34

4. UN NOU MODEL INCA PENTRU CIANURI I METALE

4.1 Scurt prezentare a modelrii metalelori a proceselor

Modelarea metalelor n mediul nconjurtor pare a fi ntotdeauna dificil, din cauza complexitii

proceselor chimice implicate i a lipsei de cunotine n ce privete comportamentul metalelor.Impactul apelor acide asupra rurilor a fost modelat de Whitehead i Jeffrey (1995), iarmodelarea proceselor de generare a apelor acide n cadrul bazinului de recepie a fost ntocmitpentru sistemele de roci i soluri din regiunile muntoase (Cosby et al, 1985a i b). n plus, aufost create modele conceptuale pentru modelarea retenia fierului i reciclarea sa necosistemele acvatice i mltinoase care capteaz ape acide (Mitsch et al, 1981, 1983,Fennessy i Mitsch 1989a i b). Flanagan et al (1994) au creat un model mai cuprinztor pentruretenia fierului, manganului, aluminiului i a sulfatului la un obiectiv reabilitat din Ohio, S.U.A.Acest model a fost apoi evaluat dup construirea unei mlatini pentru evaluarea strategiilor dereabilitare pentru controlul apelor acide (Mitsch i Wise, 1998). Cu toate acestea, modultradiional de evaluare a transformrilor metalelor din apele subterane sau din sistemele de rocieste utilizarea ecuaiilor termodinamice care simuleaz tranziia de faz a metalelor (Pourbaix,

1974). ntr-un studiu important din Marea Britanie (Science of the Total Environment, SpecialIssue, 2005), s-a demonstrat faptul c procesele de trannsformare a metalelor n sistemele deap dulce sunt controlate de multe ori de procese kinetice i microbiologice (Hall et al, 2005,Johnson i Hallberg, 2005). Acest lucru asigur o metod alternativ pentru descriereatransformrilor metalelor n cursurile de ap curgtoare, care sunt aerobe i n stri mai agitatedect sistemele de ape subterane.

Similar, n cazul cianurii, chimismul este considerat complex n cazul unui lac, dup cum a fostdemonstrat de Mudder et al, 2001 (vezi i www.cyantists.com). Cu toate acestea, Simovic et al,1984 i Botz i Mudder, 2001, au demonstrat c procesele principale de volatilizare idescompunere pot fi reprezentate prin ecuaii cinetice de ordinul nti. n ruri, caracterizate deturbulen i amestec, aceste dou procese controleaz i pierderile de cianuri i pot fireprezentate prin ecuaii cinetice de ordinul nti, dependente de temperatur, concentraie itimpul de reziden n ru. Aceast abordare cinetic a modelrii metalelori poluanilor a fostfolosit cu succes n studiul de la Mina Wheal Jane de Whitehead et al, 2005, i pe aceastabordare se bazeazi acest studiu.

4.2 Structura i ecuaiile noului model

INCA-Mine este un model dinamic care estimeaz fluxurile zilnice i concentraiile de cianuri,amoniu i 8 metale din ruri. Aceste opt metale sunt cadmiul, plumbul, zincul, mercurul, arsenul,cuprul, cromul, manganul. Aceste estimri sunt realizate prin calcularea contribuiei diferitelordate i transformri. Procesele de bazi rezervele existente n mediul nconjurtori n rusunt prezentate n figurile 4.1 - 4.5.

8/2/2019 Volumul 54

35/82

35

Figura 4.1: Prezentarea general a structurii modelului INCA-Mine

Ecuaiile folosite pentru modelul INCA-mine se bazeaz pe cele scrise pentru IntegratedCatchment model of Nitrogen (INCA-N; Whitehead et al., 1998; Wade et al., 2002) dar au fostadaptate pentru a descrie adsorbia metalelor n sedimente, descompunerea cianurii n amoniui volatilizarea cianurii. Datele introduse i rezultatele obinute difer n funcie de tipul de peisaji de condiiile din mediul nconjurtor: umiditatea solului i temperatura. Modelul ia nconsiderare rezervele de amoniu, cianuri i opt metale din sol, din apele subterane i din diferitesectoare ale rului. Modelul simuleaz curgerea apei prin sol i apele subterane din diferite tipuride sol i utilizri ale terenului nainte s ajung n ru. Acest volum de ap curge apoi n aval ise iau urmtoarele date: date directe de la sursele punctiforme; captri; sedimentarea metalelor n ruri; nitrificri; descompunerea i volatilizarea cianurii. Sursele cum ar fi scurgerile dingaleriile de coast, de pe haldele de roc steril sau din iazuri de decantare a sterilului pot fidirecionate ctre oricare bazin secundar sau seciune din model.

Conceptul modelului INCA-Mine este asigurarea unei reprezentri bazat pe procese a factorilori a proceselor care controleaz dinamica cianurii, amoniului i a metalelor att n mediulnconjurtor ct i n rurile unui bazin de recepie, odat cu minimizarea necesarului de date,precum i a complexitii structurale a modelului. INCA-Mine realizeaz estimri zilnice aledeversrilor n ru, ale concentraiilor de cianuri, amoniu i metale att de la suprafa ct i dinru i ale fluxurilor de-a lungul canalului principal. Modelul este semi-distribuit, astfel c variaiiledin utilizrile teritoriului i din sol pot fi luate n considerare, dei conectivitatea hidrologic dintrediferitele utilizri ale terenului i parcelele de sol nu este modelat n acelai mod ca prinutilizarea unui model complet-distribuit. Fluxurile volumelor de ap din diferite utilizri aleterenului i din diferite clase de sol sunt modelate simultan, iar informa iile sunt introdusesecvenial ntr-un model cu mai multe sectoare ale rului. Metoda numeric pentru rezolvareaecuaiilor se bazeaz pe o tehnic Runge-Kutta de ordinul patru, deoarece aceasta permitesoluionarea simultan a ecuaiilor din model i se asigur c nici un proces nu devine maiimportant dect altul. Soluionarea este rapid. De obicei, modelul ruleaz pentru fiecare dincele patru reele hidrografice n mai puin de 5 secunde pe un calculator cu 512 Mbytes de RAM

8/2/2019 Volumul 54

36/82

36

i cu un procesor de 1 GHz. Ecuaiile sunt descrise n urmtoarele trei seciuni i variabilele iconstantele introduse sunt descrise n tabelul 4.1, iar variabilele calculate sunt date n tabelul4.2.

Bilanurile de mas din mediul nconjurtor ale apei, cianurii, amoniului i a celor opt metale sebazeaz pe o celul de 1 km2 (fig. 4.1). Datele introduse n model pot varia n funcie de bazinulde recepie i n funcie de tipul de sol i de utilizare a terenului. Mai mult, constantele din model

pot varia n funcie de sol i de modul de utilizare a terenului. Aceti doi factori permit volumelordepozitate, ratelor de procesare, cilor de curgere a apei s varieze spaial, n funcie de variaiiale umiditii solului, temperaturii, potenialului de absorbie i a gospodririi terenului. Volumelede ap i masa de cianuri, amoniu i cele opt metale sunt nsumate n concordan cusuprafeele relative ale fiecrui mod de utilizare a terenului i a tipului de sol din cadrul unuibazin secundar de recepie (Fig. 4.1).

Simularea curgerii apei i a stocrii n mediul nconjurtor

Figura 4.2: Depozite hidrologice i ci de curgere n mediul nconjurtor

Exist dou depozite: solul i apele subterane (Fig. 4.2). Curgerea apei prin aceste dou zoneeste redat prin urmtoarele dou ecuaii:

Zona solului

sz

szeffsz

T

qp

dt

dq = (1)

Zona apelor subterane

gz

zszgz

T

qq

dt

dq =

(2)

unde qszi qgz reprezint curgerile din sol i din apele subterane (m3 s-1 km-2); Peff reprezint

precipitaiile ce influeneaz bazinul hidrografic (m3 s-1 km-2); este indexul de baz al scurgerii(); i Tszi Tgzsunt timpi de rspuns asociai zonelor de sol i de ape subterane (zile).

n cadrul solului, se presupune c apa poate fi mprit n dou volume: drenare i retenie.Volumul de drenaj reprezint apa din sol care rspunde imediat la afluxul de api se scurgedatorit gravitaiei; se poate asemna cu un macropor sau cu un flux de scurgere: curgerea care

influeneaz cel mai mult creterea acului hidrografului. Volumul de retenie din sol reprezintapa reinut n sol n urma drenajului gravitaional; ea rspunde mai greu dect apa de drenaj ireprezint majoritatea apei din sol.

8/2/2019 Volumul 54

37/82

37

Valoarea iniial a volumului de ap de drenaj din sol (VD, m3 km-2) se calculeaz pornind de la

un flux iniial oferit de utilizator (qsz,initial, m3 km-2) i timpul de rspuns al apei din sol:

86400..,, szinitialszinitialD TqV = (3)

unde VD,initial este volumul de ap de drenaj din sol (m3 km-2), qsz, initial este debitul de ap din sol

introdus de utilizator (m3 s-1) i Tsz este constanta de timp pentru apa din sol, introdus de

utilizator (zile).Valoarea iniial a volumului de ap reinut n sol (VR, m

3 km-2) este calculat pe baza seriei detimp pentru deficitul de umiditate (SMD, mm), estimrii deficitului maxim de umiditate din sol(SMDmax, mm) i a unui parametru care descrie relaia liniar dintre deficitul de umiditate din soli volumul de retenie al solului, C1. Valoarea acestui parametru reprezint raportul dintrevolumul total de ap colectati volumul de ap disponibil imediat, adic aproape de punctulminim de umiditate a solului. Valoarea parametrului deriv din calibrare i de obicei este cuprinsntre 1 i 3. Valoarea SMDinitialeste estimat din deficitul de umiditate din prima zi a simulrii.

( )1000max1, initialinitialR SMDSMDCV = (4)

Volumul iniial de ap subteran (Vgw, m3 km-2) se estimeaz pornind de mrimea maxim a

depozitului i de la proporia dintre spaiile goale i porii umplui cu ap, la nceputul rulriimodelului:6

2,, 10..CdV gweffinitialgw = (5)

unde Vgw, initial este volumul iniial de ap subteran (m3 km-2), deff,gw este adncimea maxim a

apei subterane, introdus de utilizator (m, adncimea activ x porozitatea efectiv) i C2 esteproporia dintre spaiul gol i porii umplui cu ap, introdus de utilizator (). Datoritcomplexitii geologice din majoritatea modelelor, nu se ncearc separarea apei subterane ncomponente specifice, de drenaj i retenie; prima fiind apa care se poate drena din roc datoritgravitii i a doua fiind apa reinut mpotriva gravitii. Volumele drenate i reinute din sol suntrecalculate la fiecare pas, pentru a se adapta valorilor introduse i obinute.

Simularea transportului, a depozitrii i a transformrilor cianurii, amoniului i ametalelor n mediul nconjurtor

Figura 4.3: Depozitele de cianuri amoniu, transformrile i cile de transport n mediulnconjurtor

8/2/2019 Volumul 54

38/82

38

Modificarea masei de cianur din depozitele din sol, mcn,sz (kg CN km-2) i din apa subteran,

mcn,gz(kg CN km-2) sunt date de ecuaiile (6) i (7)

Zona solului

RD

szcnSMD

RD

szcnSMD

RD

szszcnszcn

VV

mSC

VV

mSC

VV

qm

dt

dm

+

+

+

=

6

,4

6

,3,, 101086400 (6)


gw

gzcn

gw

gzgzcn

gw

szgzcngzcn

V

mC

V

qm

V

qm

dt

dm6

,5,,, 108640086400 =

(7)

unde C3, C4i C5 sunt ratele de volatilizare a cianurii i ale transformrii cianurii din sol i dinapele subterane n amoniu (Fig. 4.3). Toi ceilali termeni au fost definii mai sus, cu excepiaSSMD care este factorul de umiditate al solului i care descrie dependena liniar dintre rataproceselor din sol i umiditatea solului. Se presupune c nu exist intrri difuze de cianur nbazinul de recepie. Primul termen din partea dreapt a ecuaiei (6) reprezint transportul lateralal cianurii cu apa din sol n ru; al doilea termen reprezint volatilizarea cianurii; i al treileatermen reprezint descompunerea cianurii n amoniu. Primul i al doilea termen din ecuaia (7)reprezint fluxul de cianur din sol n apa subteran i curgerea lateral a cianurii din apasubteran n ru; al treilea termen reprezint descompunerea cianurii n amoniu n apasubteran. Factorul de umiditate al solului este calculat la fiecare pas dup formula

MAX

MAXSMD

SMD

SMDSMDS

= (8)

unde SMD este seria deficitului zilnic de umiditate a solului introdus de utilizator (mm).Factorul este cuprins ntre 0 i 1, i descrie situaia n care odat cu uscarea solului, rataproceselor din sol scade. n plus, fiecare parametru din rata proceselor depinde de temperaturasolului.

1010

10basQs t

Qnn tCC

=

(9)

unde s este temperatura solului (oC), Cn este parametrul pentru procesele din sol i tq10 () i

tQ10bas (oC) sunt parametrii determinai prin calibrare. Parametrul tq10 reprezint schimbarea

factorilor odat cu schimbarea cu 10 grade a temperaturii, iar parametrul tQ10bas estetemperatura de baz pentru procesul la care rspunsul este 1. Temperatura solului este

estimat pornind de la o relaie dependent de temperatura aerului, dup cum urmeaz

=

365

.

2

3sin6

nodayCAs (10)

unde s este temperatura aerului (oC), iarC6 este diferena maxim de temperatur ntre vari

iarn (oC). Aceast relaie genereaz un model periodic pentru fiecare mod de utilizare alterenului care este controlat de parametrul C6. Pentru grosimea stratului de zpad, ecuaia estecorectat folosind ecuaia (4) a lui Rankinen et al (2002). Aceast dependen de temperaturse aplic tuturor parametrilor de proces din sol, nu numai celor pentru cianur.

Amoniu-N

8/2/2019 Volumul 54

39/82

39

Modificarea masei de cianur din depozitele din sol, mnh4,sz (kg N km-2) i din apa subteran,

mnh4,gz(kg N km-2) sunt date de ecuaiile (11) i (12) Sol

Zona solului

RD

szcnSMD

RD

sznhSMD

RD

sznhPGISMD

RD

szsznh

innh

sznh

VV

mSC

VV

mSC

VV

mSSC

VV

qmm

dt

dm

++

+

+

+

=

6

,4

6

,48

6

,47,4

,4

,4

1010

1086400100

(11)


gw

gznh

gw

gzgznh

gw

szgznhgznh

V

mC

V

qm

V

qm

dt

dm6

,49,4,4,4 108640086400 =

(12)

unde C7, C8i C9 sunt ratele de absorbie a amoniului de plante din sol, i ratele de nitrificare aleamoniului din sol i din apa subteran (Fig. 3). Masa de amoniu introdus zilnic n sol, mnh4,in (kgN ha day-1), reprezentat de primul termen din partea dreapt a ecuaiei (11), include gunoiul dela animale, ngrminte i depunerea uscati umed. Toi ceilali termini au fost definii maisus, cu excepia SPGI , care reprezint indexul de cretere al plantelori care descrie variaiilesezoniere ale radiaiei solare i astfel, ale creterii plantei n timpul diferitelor anotimpuri. Indexuleste dat de urmtoarea formul

[ ]

+=

365

.2sin34.066.0 10

CnodaySPGI (13)

unde C10 este numrul zilei asociat cu nceputul sezonului de cretere. Al doilea termen dinpartea dreapt a ecuaiei (11) reprezint curgerea lateral a amoniului cu ap din sol n ru; altreilea termen reprezint absorbia amoniului de ctre plante; al patrulea termen reprezinttrecerea amoniului n nitrat prin nitrifiere; i al patrulea termen reprezint creterea concentraieide amoniu, ca rezultat al descompunerii cianurii. Primul i al doilea termen din partea dreapt aecuaiei (12) reprezint cantitatea de amoniu introdus din sol n apa subteran i curgerealateral n ru; al treilea termen reprezint nitrificarea amoniului n apa subteran.

Metale

Ecuaiile de mai jos se refer la fiecare din cele opt metale incluse n model. Ecuaiile de aicisunt generale pentru toate cele opt metale, n timp ce n cadrul modelului exist parametri diferii

pentru fiecare metal, astfel c transportul, descompunerea i stocarea fiecruia suntindependente.

8/2/2019 Volumul 54

40/82

40

Figura 4.4: Stocarea, transformarea i cile de transport ale metalelor n mediulnconjurtor

Modificarea masei fiecrui metal din depozitele din sol, mmetal,sz (kg km-2) i din apa subteran,

mmetal,gz(kg km-2) sunt date de ecuaiile (14) i (15)

Zona solului

RD

szmetalSMD

RD

szszmetalszmetal

VV

mSC

VV

qm

dt

dm

+

+=

6

,11,, 1086400 (14)


gw

gzmetal

gw

gzgzmetal

gw

szgzmetalgzmetal

V

mC

V

qm

V

qm

dt

dm6

,12,,, 108640086400=

(15)

unde C11 i C12 reprezint ratele de absorbie a metalului n sol i n pnzele freatice. Sepresupune c nu exist intrri difuze de metale n bazinul de recepie (Fig. 4). Primul termen dinpartea dreapt a ecuaiei (14) reprezint micarea lateral a metalelor transportate n ru. Aldoilea termen reprezint absorbia metalului n sol. Primul termen din partea dreapt a ecuaiei(15) reprezint introducerea unui metal din sol n apa subteran prin percolare; al doilea termenreprezint curgerea lateral a metalului din apa subteran n ru; iar al treilea termen reprezintabsorbia metalului n pnza freatic.

Simularea curgerii i depunerii n ru

8/2/2019 Volumul 54

41/82

41

Figura 4.5: Depuneri, transformri i ci de transport n mediul nconjurtorConstanta de timp pentru rezidena pe sector, Treach (zile) este calculat ca fiind

86400,b

outreach

reachaq

LT = (16)

unde L este lungimea sectorului, qreach,out este deversarea din sector, iar a i b sunt parametricare leag viteza din sectorul de ru cu deversarea. Parametrii a i b sunt determinai princalibrare, cu toate c n general, parametrul b are valoarea de 0,67. Parametrii pot fi determinaii prin msurtori. Schimbarea debitului din sector se calculeaz folosind o ecuaie privind

echilibrul de mase la intrri-ieiri de forma

reach

outreachinreachoutreach

T

qq

dt

dq ,,, = (17)

unde qreach,in este suma debitelor de intrare din amonte, dac nu este vorba de sectorul superior,ale efluentului de la sursa punctiform, ale intrrilor difuze din sol i din apa subterani dinpierderea prin separare.

Ecuaiile de proces pentru cianuri, amoniu i metal: bazinul hidrografic

n ru, procesele de baz sunt volatilizarea i descompunerea cianurii, nitrificarea amoniului ipierderea metalelor din cauza sedimentrii i a precipitrii. Ecuaia de mas pentru fiecaresector include calitatea apei din amonte, mpreun cu intrrile difuze din sol i din apasubteran, precum i deversrile directe ale efluenilori separrile (Fig. 4.5).

Masa de cianuri, mcn,reach (kg) stocat ntr-un sector de ru este dat de ecuaia de mai jos

abscn

reachreachcn

reachreachcn

reach

outreachreachcn

inreachcn

reachcn

m

VcC

VcC

V

qmm

dt

dm

,

,14

,13,,

_,

,

1000

1000

86400

=

(18)

8/2/2019 Volumul 54

42/82

42

unde masa care ajunge n sector, mcn,reach_in (kg zi-1) este suma intrrilor din amonte, a efluenilor

i a intrrilor difuze din sol i din apele subterane. Al doilea termen din partea dreapt a ecuaiei(18) reprezint transferul de mas realizat odat cu debitul de ap; al treilea termen reprezintvolatilizarea cianurii; al patrulea termen reprezint descompunerea cianurii n amoniu; iar alcincilea termen reprezint orice mas care poate fi ndeprtat din sector prin separare.Parametrii care descriu volatilizarea cianurii, C13 i descompunerea sa, C14 depind detemperatur, astfel

20047.1 = wnn CC

(19)

unde weste temperatura apei (oC) care se presupune a fi egal cu cea a temperaturii aerului.

Masa de amoniu, mcn,reach (kg N) stocat ntr-un sector al rului este dat de ecuaia

absnh

reachreachcn

reachreachnh

reach

outreachreachnh

inreachnh

reachnh

m

VcC

VcC

V

qmm

dt

dm

,4

,14

,415,,4

_,4

,4

1000

1000

86400

+

=

(20)

unde masa care ajunge n sector, mnh4,reach_in (kg zi-1) este suma intrrilor din amonte, efluenilor

i a intrrilor difuze din sol i din apele subterane. Al doilea termen din partea dreapt a ecuaiei(20) reprezint transferul de mas nspre aval odat cu debitul de ap; al treilea termenreprezint nitrificarea amoniului; al patrulea termen reprezint creterea concentraiei de amoniudin cauza descompunerii cianurii; iar al patrulea termen reprezint orice mas care poate finlturat din sector prin separare. Parametrul care descrie nitrificarea C15 depinde detemperatur.

Masa de metal, mmetal,reach (kg N) stocat ntr-un sector de ru este dat de

absmetal

reachreachmetal

reach

outreachreachmetal

inreachmetal

reachmetalm

VcC

V

qmm

dt

dm,

,16,,

_,

,

1000

86400= (21)

unde masa care ajunge n ru, mmetal,reach_in (kg zi-1) este suma intrrilor din amonte, ale

efluenilor i ale intrrilor difuze din sol i din apele subterane. Al doilea termen din parteadreapt a ecuaiei (21) reprezint transferul de mas nspre aval odat cu debitul de ap; altreilea termen reprezint sedimentarea metalului; iar al patrulea termen reprezint orice mascare poate fi ndeprtat din sector prin separare. Parametrul care descrie sedimentarea C16depinde de temperatur.

8/2/2019 Volumul 54

43/82

43

Simbol Definiie U.M.

Intrri introduse de utilizator ca serii de timp

peff Precipitaii semnificative din punct de vedere hidrologic m3 s-1 km2

SMD Deficitul de umezeal din sol Mm

A Temperatura aeruluioC

mnh4,in Masa de intrare a amoniului (include amoniul din gunoiul de laanimale, de la ngrminte i depunerea umedi uscat)

kg N ha-1 day-1

Intrri introduse de utilizator ca i constante

Indexul de baz pentru debit

Tsz Timpul de rspuns pentru sol Days

Tgz Timpul de rspuns pentru apa subteran Days

qsz,initial Curgerea iniial din sol m3 s-1 km2

SMDmax Deficitul maxim de umiditate din sol Mm

deff,gw Adncimea efectiv a apei subterane egal cu adncimea apeisubterane active multiplicat cu porozitatea efectiv M

C1 Raportul dintre volumul de ap reinut n sol i umiditateadisponibil din sol

C2 Fraciunea de spaiul efectiv din pori din apa subteran ocupatde ap

C3 Rata de volatilizare a cianurii n sol m zi-1

C4 Rata de descompunere a cianurii n amoniu n sol m zi-1

C5 Rata de descompunere a cianurii n amoniu n apele subterane m zi-1

C6 Diferena maxim de temperatur ntre vari iarnoC

C7 Rata de absorie a amoniului de ctre plante m zi-1

C8 Rata de nitrificare a amoniului n sol m zi-1

C9 Rata de nitrificare a amoniului n apele subterane m zi-1

C10 Ziua asociat cu nceputul perioadei de cretere

C11 Rata de absorbie a metalelor n sol m zi-1

C12 Rata de absorbie a metalelor n pnza freatic m zi-1

tQ10 Modificarea factorilor odat cu modificarea temperaturii cu 10grade

tQ10bas Temperatura de baz pentru procesele la care rspunsul este 1o

CVariabile n ecuaiile referitoare la mediul nconjurtor

qsz Debitul de curgere din sol m3 s-1 km2

qgw Debitul de curgere din apele subterane m3 s-1 km2

VD Volumul drenat din sol m3 km2

VR Volumul de retenei din sol m3 km2

Vgw Volumul apei subterane m3 km2

SSMD Factorul de umidiate al solului

SPGI Indexul de cretere al plantelor

mcn,sz Masa de cianur din sol kg km-2

mcn,gz Masa de cianur din apele subterane kg km-2

8/2/2019 Volumul 54

44/82

44

mnh4,sz Masa de amoniu din sol kg N km-2

mnh4,gz Masa de amoniu din apele subterane kg N km-2

mmetal,sz Masa de metale din sol kg km-2

mmetal,gz Masa de metale din apele subterane kg km-2

Tabelul 4.1: Constante i variabile n ecuaiile de mas referitoare la mediul nconjurtor

Simbol Definiie U.M.

Intrri introduse de utilizator ca i constante

Treach Timpul de reziden n sector Zile

L Lungimea sectorului m

A Viteza de descrcare m-2

B Viteza de descrcare

C13 Rata de volatilizare a cianurii m zi-1

C14 Rata de descompunere a cianurii n amoniu n ru m zi-1

C15 Rata de nitrificare a amoniului n sector m zi-1

C16 Rata de sedimentare a metalelor n ru m zi-1

Variabile n ecuaiile referitoare la ru

qreach,out Debitul de curgere din sector m-3 s-1

qreach,in Debitul de curgere din sector care provine din amonte, eflueni iintrri difuze din sol i apele subterane i pierderile prinseparare

m-3 s-1

mcn,reach Masa de cianuri n sector Kg

mcn,reach Masa de cianuri din sector provenite din amonte, eflueni iintrri difuze din sol i apele subterane

Kg

mcn,abs Masa de cianuri separate din sector Kg

mnh4,reach Masa de amoniu din sector Kg

mnh4,reach Masa de amoniu din sector provenite din amonte, eflueni iintrri difuze din sol i apele subterane

Kg

mnh4,abs Masa de amoniu separat din sector Kg

mmetal,reach

Masa de metale din sector Kg

mmetal,reach

Masa de metale din sector provenite din amonte, eflueni iintrri difuze din sol i apele subterane Kg

mmetal,abs Masa de metale separat din sector Kg

ccn,reach Concentraia de cianuri din sector Mg l-1

cnh4,reach Concentraia de amoniu din sector Mg l-1

Cmetal,reach

Concentraia de metale din sector Mg l-1

Vreach Volumul sectorului m3

Tabelul 4.2: Constante i variabile din ecuaiile de mas din ru

8/2/2019 Volumul 54

45/82

45

4.3 Aplicarea modelului INCA-Mine pentru bazinul superior al bazinului hidrografical rurilor Abrud-Arie- Mure.

Modelul a fost aplicat bazinelor de recepie ale reelelor hidrografice, adic bazinelor Roia,Slite, Corna i Abruzel, n acelai mod n care au fost descrise aplicaiile pentru azot de maisus. Problema cea mai important pe care o prezint aceste aplicaii este includerea scurgerilorapelor acide prin galeriile de acces sau a scurgerilor de ape acide, care afecteaz calitatea apeidin ruri. Fiind parte a proiectului Roia Montan, acestea au fost monitorizate din punct devedere al chimismului i al debitului.

Tabelele 4.3, 4.4 i 4.5 prezint chimismul surselor principale de scurgeri de min din bazinelerurilor Abruzel, Corna i Slite. Chimismul din galeriile de acces pentru bazinul Roia esteprezentat n tabelul 3.2 de mai su

Volumul 54

Documents

Transcript of Volumul 54