THE USE OF NEUTRALIZING SOLUTIONS FOR THE ELIMINATION OF AREAS OF CONTAMINATION IN THE VADOSE ZONE AND AQUIFER

<jats:p>An effective method to calculate the process of neutralization of soil and underground waters when the neutralizer is supplied to the surface of the soil. The method proposed is based on the numerical model of admixture transfer process. The implicit change-triangle difference scheme is used for calculation.</jats:p>

section_content: Анализ последствий аварий на производстве, транспорте [1; 6] показывает, что неорганизованные (аварийные) разливы на грунт способны вызвать интенсивное долговременное загрязнение как зоны аэрации под местом разлива, так и подземного водоносного горизонта. В этой связи особую важность приобретает разработка мероприятий по ликвидации зон загрязнения в грунте, подземных водах. Ввиду высокого подъема уровня безнапорных вод по многих регионах Украины, процесс поступления загрязнения с поверхности земли через зону аэрации в подземный поток может начаться достаточно быстро после аварии, что делает задачу по нейтрализации образовавшихся зон загрязнения особо актуальной. 

При малой мощности зоны аэрации наиболее доступным и легкоорганизуемым средством защиты грунта и подземных вод от загрязнения после аварийных разливов является подача на поверхность земли воды или нейтрализующих растворов. Для этого организуется обвалование загрязненного участка с последующей подачей на него жидкости. Обзор литературы по данному вопросу показал отсутствие четких рекомендаций, расчетных методов, позволяющих для конкретных гидрогеологических условий научно-обоснованно выбрать параметры промывки и оптимизировать данный процесс. Приводимые в литературе параметры промывки носят рекомендательный характер и не привязаны к конкретному типу грунта. Не указывается также методика, на основе которой эти параметры были получены. 

где m -мощность зоны аэрации; i m -мощность i-го слоя грунта в зоне аэрации, имеющего коэффициент фильтрации i k. Отметим, что в модели необходимо использовать коэффициент фильтрации K для используемой жидкости (нейтрализующего раствора). Это значение можно рассчитать следующим образом:

Для эффективной промывки необходимо, чтобы выполнялось условие q K >, т. е. чтобы имела место фильтрация в насыщенный грунт. 

Процесс миграции нейтрализующего раствора будем моделировать следующими уравнениями фильтрации и геомиграции:

( )

где S -недостаток насыщения; Z -глубина смачивания грунта; H -уровень нейтрализующего раствора на поверхности земли; nповерхностная пористость; u -скорость фильтрации; µ -коэффициент диффузии; ϕ - концентрация нейтрализатора в фильтрующимся растворе. Из решения уравнения фильтрации (1) можно определить скорость фильтрации раствора [5] ( ) ( )

Зная скорость u, можно перейти к расчету процесса миграции нейтрализующего раствора через зону аэрации. Для этого численно интегрируется уравнение (2) с помощью попеременнотреугольной неявной разностной схемы [2]. Процесс взаимодействия нейтрализатора и кислоты на каждом временном шаге рассчитывается исходя из уравнения кинетики, например, так

Описанная модель представлена в разработанном пакете прикладных программ в виде отдельного блока «FILTR-1». В результате работы этого блока пользователь получает информацию о скорости фильтрации раствора нейтрализованной кислоты и количестве нейтрализатора, который, пройдя через зону аэрации А, начинает поступать в зону В -зону загрязненного подземного потока. 

Модель нейтрализации области загрязнения в подземном потоке. Процесс миграции кислоты, нейтрализатора в безнапорном потоке будем описывать моделью градиентного типа

где ϕ -концентрация кислоты (нейтрализатора); u, v -компоненты вектора скорости безнапорного фильтрационного потока. Для моделирования процесса поступления нейтрализатора в количестве Q в область B из зоны аэрации в уравнение (4) включено слагаемое вида

Краевые условия для приведенных моделей рассмотрены в работе [2]. 

Численное интегрирование уравнения геомиграции (4) проводится также с использованием попеременно-треугольной неявной разностной схемы [2]. 

Программная реализация этого этапа оформлена в виде блока «FILTR-2». В результате работы данного блока пользователь получает информацию о динамике миграции пятна кислоты в подземном потоке, нейтрализатора и скорости процесса нейтрализации. 

Разработанный на базе построенной модели пакет прикладных программ был использован для решения следующей задачи. В результате разлива серной кислоты на грунт произошло загрязнение зоны аэрации под участком разлива, в результате которого в подземном потоке образовалась зона загрязнения. Для ликвидации зоны загрязнения в подземном потоке и в зоне аэрации была осуществлена подача на поверхность грунта 10-процентного раствора Na CO. Гидрогеологические параметры таковы: коэффициент фильтрации в зоне аэрации -2,2 м/сут; недостаток насыщения -0,3; мощность зоны аэрации -2,2 м; скорость фильтрации подземного водоносного горизонта -0,3 м/сут; средняя глубина водоносного горизонта -10 м; средняя концентрация кислоты в зоне аэрации -12 кг/м 3 ; а в зоне загрязнения подземного потока -10 кг/м 3. Интенсивность подачи нейтрализатора на грунт (на 1 м 2 ) -2,4 м/сут. Коэффициент диффузии при миграции в зоне аэрации полагается равным нулю, а в области движения безнапорного потока

Перейдем к рассмотрению результатов моделирования. В табл. 1 представлены результаты расчета глубины промачивания нейтрализующим раствором зоны аэрации, а также уровень нейтрализующего раствора на поверхности земли. Концентрация кислоты в грунте, кг/м 3 0 0 5,5 11,9 12

При практическом применении метода промывки грунта нейтрализующими растворами весьма важно знать не только динамику ликвидации зоны загрязнения (см. табл. 2, 3), но также динамику поступления нейтрализующего раствора в подземный водоносный горизонт, расположенный под местом аварии. Результаты решения этой задачи представлены в табл. 4, где показано какое количество

Na CO посту- пило в подземный водоносный горизонт (на 1 м 2 ) с момента начала процесса нейтрализации кислоты в зоне аэрации. 

На втором этапе осуществлялся расчет процесса нейтрализации пятна кислоты в подземном потоке за счет фильтрации нейтрализующего раствора, поступающего из зоны аэрации. При этом использовались результаты моделирования предыдущего этапа, т. е. этапа нейтрализации кислоты в зоне аэрации, и в частности результаты, представленные в табл. 4. Применение разработанного метода для моделирования рассматриваемого процесса позволяет сформулировать ряд рекомендаций:

1. Аварийно-спасательные бригады или другие технические службы, обеспечивающие проведение работ по нейтрализации, должны быть обеспечены приборами для экспресс определения гидрогеологических параметров грунта зоны аэрации, водоносного горизонта на месте аварийного разлива. 

2. Процесс нейтрализации области загрязнения в зоне аэрации и в подземном водоносном горизонте за счет подачи нейтрализатора на поверхность грунта является достаточно медленным и требует достаточно большого количества нейтрализующего раствора; необходимое время нейтрализации может быть определено на основе предложенного в работе метода. 

3. Для эффективной нейтрализации необходимо обеспечить фильтрацию нейтрализующего раствора по типу «насыщенной» фильтрации. 

Дальнейшее развитие данной работы следует вести в направлении создания банка данных по различным типам загрязнителей и нейтрализующих растворов.