Hostname: page-component-74656f9884-54qdv Total loading time: 0 Render date: 2026-11-09T22:59:03.385Z Has data issue: false hasContentIssue false

A Model for Pollutant Concentrations During Snow-Melt

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

S. Hibberd*
Affiliation:
Department of Theoretical Mechanics, University of Nottingham, Nottingham NG7 2RD, England
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Abstract

In recent years extensive measurements of pollutant concentrations within the environment have been made over Western Europe following reports of unusually high pollution levels within rivers and lakes, especially after the start of the spring melting period. A simple model is presented to describe theoretically the pollutant efflux within the first fractions of melt water released from a snow-pack at the start of the melting season. The dominant features included are the appearance of a wave-front as heading the unsaturated flow of melt water and the pollutant dispersion arising from the interaction of the flow with the porous structure of the snow-pack and molecular diffusion. Computed results are shown describing the evolution of pollutant concentration profiles in the first run-off stage from a snow-pack subjected to an applied uniform surface heating.

Résumé

Résumé

Au cours des derniéres années, de nombreuses mesures de concentrations en polluants dans l’environnement sur toute l’Europe de l’Ouest, montrent des pollutions anormalement élevées dans les riviéres et les lacs spécialement aprés le début de la période de fusion nivale printanière. On présente un modèle simple pour décrire théoriquement les flux de polluants dans les premières émissions d′eau de fonte issues d′une masse de neige au début de la saison de la fusion. Les faits dominants mis en évidence sont l’apparition d′une vague frontale en tête de l’écoulement non saturé d’eau de fonte et la dispersion du polluant issue de l’interaction de l’écoulement avec la structure poreuse de la neige et la diffusion moléculaire. Les résultats calculés décrivent l’evolution des profils de concentration non polluants dans les premiers stades de l’écoulement depuis une masse de neige soumise à un réchauffement uniforme en surface.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Als Folge von Berichten über eine ungewöhnlich hohe Verschmutzung in Flüssen und Seen, besonders nach Beginn der Schmelzperiode im Frühjar, wurden in den letzten Jahren in Westeuropa ausgedehnte Messungen der Verschmutzungskonzentration im Umfeld vorgenommen. Zur theoretischen Beschreibung des Schmutzausflusses in der ersten Schmelzwasserspenden aus der Schneedecke bei Beginn der Schmelzperiode wird ein einfaches Modell vorgestellt. Als wichtigste Erscheinungen werden darin das Auftreten einer Wellenfront vor dem ungesättigten Fluss von Schmelzwasser und die Verschmutzungsdispersion als Folge der Wechselwirkung des Flusses mit der porösen Struktur der Schneedecke sowie die molekulare Diffusion berücksichtigt. Es werden Rechenergebnisse vorgeführt, welche die Entwicklung von Profilen der Verschmutzungskonzentration im ersten Stadium des Abflusses aus einer Schneedecke, die einer gleichmässigen Erwärmung an der Oberfläche ausgesetzt ist, aufzeigen.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1984
Figure 0

Fig. 1. Relative concentrations experimentally measured in the run-off from a polluted snow (from Johannessen and others, 1975). Vertical bars denote the extent of pollutant concentrations in the first fractions of melt water.

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Fig. 2. Non-dimensional flow description corresponding to an imposed uniform saturation Sℓ at the snow-pack surface.

Figure 2

Fig.3. Space-time diagram showing the mathematical formulation to determine the solute concentration c(z, t).

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Fig. 4. Solution for the concentration c(z, t) on using the method of characteristics in the case of negligible dispersion (convection theory).

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Fig.5. Theoretical development of concentration pro­files behind the saturation wave-front for different values of the dispersion parameter.D = 0; b = 10−5; D = 10−4; D = 10−3.Saturation parameters are taken as S = 0. 05 and β = 0. 05.

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Fig. 6. Variation of the relative pollutant concen­tration c/ci within the first melt liquid from a snow-pack on changing the dispersion parameter D. The initial irreducible saturation is given by β = 0.05.

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Fig.7. Comparison of theoretically calculated pollut­ant concentrations with the experimental results of Figure 1. Snow parameters are taken as S = 0.05, β = 0.05 and ci/c0 = 10.18.