Effect of variable environmental conditions on fate and transport of explosive-related chemicals near soilatmospheric surface

Abstract

Landmines and other buried explosive devices (BEDs) pose an immense threat to military personnel, civilian population, and the environment in many places of the world, requiring large efforts on detection. Chemical detection of explosive-related chemicals (ERCs) near BEDs, including chemical, biological, canine, and infrared (IR) detections, relies on the presence of ERCs near the soil-atmospheric surface. ERCs distribution near this surface and their relation to the location of explosive devices are controlled by the fate and transport processes. A three-dimensional laboratory-scale SoilBed system was designed and developed to assess the influence of environmental parameters on the flow patterns and transport of TNT, DNT and related chemicals. Experimental work to determine the effect of visible light, temperature, and rainfall conditions indicated that the mobility and persistence of water, TNT, DNT and others related chemicals are highly influenced by interrelated environmental and boundary conditions. Experimental results indicate that rainfall events and low system temperatures induce higher water contents and retention. The presence of radiation and high system-temperatures induce water drainage and low water saturation in sandy soils. Advective and dispersive transport dominates mobility under high soil saturation. High water contents induce higher TNT and DNT source dissolution, higher advective transport, lower sorption, and increases spatial and temporal detection and concentration distribution. Higher rainfall intensity, thus, results in higher detection and concentration distribution. Lower water flux, higher potential for sorption and degradation, and greater volatilization contribute to lower detection and concentration at low soil water contents. Higher temperatures tend to induce higher source dissolution rates, but enhance water drainage and lower water contents and limits TNT and DNT detection. At low temperatures, detection is enhanced by higher water contents and lower sorption, degradation and volatilization losses. The effect of temperature on DNT and TNT detection is highly variable and is influenced by interrelated factors. Solar radiation influences soil temperature and heat fluxes, and enhance TNT/DNT dissolution, transport, and degradation. It significantly enhances DNT detection. A generalized linear mixed statistical model has been applied to quantify the temporal and spatial effect of environmental conditions on ERC detection and concentrations. The statistical analysis indicated that rainfall events and related water contents were the most influential factors affecting the presence and concentrations of ERCs in the aqueous and gaseous phase. Solar radiation, and related heat flux, is the second most influential parameter. Although atmospheric temperature influences the presence and concentration of ERCs in soils, it is the least influential parameter.

Minas y otros artefactos explosivos enterrados representan un gran peligro para el personal militar, la población civil y el ambiente además de requerir un esfuerzo grande para su detección. La detección química de químicos explosivos cerca de los artefactos explosivos depende de la presencia de estos químicos cerca de la interfase suelo-atmosfera. La distribución de químicos explosivos cerca de esta interfase y su relación con la localización de artefactos explosivos esta controlado por procesos de transporte y destino en el suelo. Un modelo físico tridimensional de suelo a escala de laboratorio fue diseñado y desarrollado para evaluar la influencia de parámetros ambientales en los patrones de flujo y transporte de 2,4,6 trinitrotolueno (TNT), 2,4 dinitrotolueno (DNT) y otros químicos relacionados. El trabajo experimental realizado a fin de determinar el efecto de la luz visible, la temperatura y la lluvia, indican que el movilidad y persistencia de agua., TNT, DNT y otros químicos relacionados es altamente influenciada por condiciones ambientales interrelacionadas. Resultados experimentales indican que eventos de lluvia y temperaturas bajas del sistema inducen drenaje y saturaciones de agua bajas en suelos arenosos. El transporte advectivo y dispersivo demuestran la movilidad bajo condiciones de saturación de agua. Estas saturación de agua induce una disolución mas alta de la fuente de TNT, DNT, transporte advectivo más alto y menos absorción y aumenta la detección y distribución de concentración espacial y temporal. Por lo tanto, intensidades de lluvias más altas reclutan en mayor detección y distribución de contracciones. Flujo de agua bajos, mayor potencial de adsorción, degradación y volatilización a contenidos de agua bajo contribuyen a detección y concentración bajos en el sistema. Temperaturas altas tienden a inducir mayor taza de disolución, pero aumenta el drenaje, baja el contenido de agua y limita la detección de TNT y DNT. A bajas temperaturas la detección es mejorada debido a contenidos de agua mas altos, menores perdidas por adsorción, degradaron y volatilización. El efecto de temperaturas es altamente variable y esta influenciado por otros factores interrelacionados. La radiación solar influye en la temperatura y el flujo de calor en el suelo, aumenta la disolución, transporte y degradación de TNT/DNT. La radiación mejora significativamente la detección de DNT. Un modelo estadístico lineal mixto generalizado se ha aplicado para cuantificar el efecto temporal y espacial de las condiciones ambientales en la detección y concentraciones de químicos explosivos. El análisis estadístico indica que la lluvia y los acontecimientos relacionados con el contenido de agua son los factores más influyentes que afectan a la presencia y las concentraciones de ERCs en la fase acuosa y gaseosa. La radiación solar y el flujo de calor relacionado a esta, es el segundo parámetro de mayor influencia. Aunque la temperatura atmosférica influencia la presencia y concentración de quimos explosivos en el suelo, este es el parámetro de menor influencia.