Экология 6

Беляев Н. Н., Любченко В.В., Луценко А.Н., Никулина Г.С., Солоха В.Н.

Днепропетровский государственный аграрный университет

Моделирование процессов загрязнения подземных вод

В настоящее время наблюдается интенсивное загрязнения грунтовых вод. Причинами, вызывающими такое загрязнение являются аварийные разливы, пруды накопители производственных сточных вод и т.д. Актуальной задачей в данной области является создание эффективных методов прогноза динамики загрязнения подземных вод и совершенствование методов защиты подземных вод от загрязнения. Целью настоящей работы явилась разработка расчетного метода, который можно было бы использовать для расчета процессов геомиграции и оценки эффективности различных методов защиты от загрязнения грунтовых вод. Предлагаемый метод расчета основывается на численном моделировании процессов геомиграции.

Математическая модель. Процесс геомиграции загрязнителя в подземном потоке будем описывать уравнением вида

, (1)

где - концентрация загрязнителя;

u, v – компоненты вектора скорости фильтрации безнапорного подземного потока;

n –эффективная пористость;

μ – коэффициент диффузии.

Для моделирования процесса поступления загрязнителя в количестве

Q в область подземного потока из зоны аэрации в уравнение (1) включается слагаемое вида

,

где - дельта-функции Дирака;

- координаты «точек» поступления загрязнителя.

Для моделирования процесса фильтрации используется уравнение:

,

где m – недостаток насыщения;

h – глубина потока;

k – коэффициент фильтрации;

W – дебит скважины;

- дельта-функция Дирака;

x_i, y_i – координаты скважины.

Отметим, что если величина W – положительная, то имеет место работа поглощающих скважин, а если величина W – отрицательная, то имеет место работа откачивающих скважин.

Численное интегрирование уравнений модели осуществляется на прямоугольной разностной сетке. Для расчета уравнения геомиграции используется неявная попеременно-треугольная разностная схема. На основе предложенной математической модели разработан пакет прикладных программ. В качестве языка программирования используется FORTRAN. Пакет программ был использован для решения задачи о нейтрализации зоны загрязнения в подземном потоке при аварийной утечке серной кислоты. Нейтрализатор (раствор щелочи) подавался в поток через две скважины. Процесс взаимодействия кислоты и нейтрализаторв описывался уравнением кинетики:

H₂SO₄ + Na₂CO₃ = Na₂SO₄ + H₂O + CO₂

На приведенных рисунках показана зона загрязнения в потоке при работе скважин.

Рис.1 Зона загрязнения грунтовых вод через 10 мин после начала работы двух скважин

Рис.2 Зона загрязнения грунтовых вод через 19 часов после начала работы двух скважин

Как видно из представленных рисунков зона загрязнения разбивается на две подзоны под действием поступающего из скважин нейтрализатора. Таким образом с помощью разработанной модели можно определить необходимое время для нейтрализации зоны загрязнения в подземном потоке.