Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах
В статті розглянуто проблему забруднення підземних вод. Розглянуто основні методи моделювання і прогнозування розповсюдження забруднення в підземних водах. Показано, що існуючі методи моделювання міграції забруднень потребують суттєвої модернізації....
Gespeichert in:
| Datum: | 2012 |
|---|---|
| 1. Verfasser: | |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України
2012
|
| Schriftenreihe: | Геотехническая механика |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54175 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах / Е.С. Тужикова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 220-227. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-54175 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-541752014-01-31T03:14:52Z Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах Тужикова, Е.С. В статті розглянуто проблему забруднення підземних вод. Розглянуто основні методи моделювання і прогнозування розповсюдження забруднення в підземних водах. Показано, що існуючі методи моделювання міграції забруднень потребують суттєвої модернізації. The article deals with the problem of groundwater pollution. The main methods of modeling and predicting spread of contamination in groundwater. It is shown that the existing methods for modeling migration of contaminants need substantial upgrading. 2012 Article Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах / Е.С. Тужикова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 220-227. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1607-4556 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54175 556.06 ru Геотехническая механика Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
В статті розглянуто проблему забруднення підземних вод. Розглянуто основні методи
моделювання і прогнозування розповсюдження забруднення в підземних водах. Показано,
що існуючі методи моделювання міграції забруднень потребують суттєвої модернізації. |
| format |
Article |
| author |
Тужикова, Е.С. |
| spellingShingle |
Тужикова, Е.С. Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах Геотехническая механика |
| author_facet |
Тужикова, Е.С. |
| author_sort |
Тужикова, Е.С. |
| title |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| title_short |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| title_full |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| title_fullStr |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| title_full_unstemmed |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| title_sort |
проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах |
| publisher |
Інститут геотехнічної механіки імені М.С. Полякова НАН України |
| publishDate |
2012 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/54175 |
| citation_txt |
Проблемы моделирования миграции загрязнений в подземных водах / Е.С. Тужикова // Геотехническая механика: Межвед. сб. науч. тр. — Днепропетровск: ИГТМ НАНУ, 2012. — Вип. 103. — С. 220-227. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. |
| series |
Геотехническая механика |
| work_keys_str_mv |
AT tužikovaes problemymodelirovaniâmigraciizagrâznenijvpodzemnyhvodah |
| first_indexed |
2025-07-05T05:34:19Z |
| last_indexed |
2025-07-05T05:34:19Z |
| _version_ |
1836783930664026112 |
| fulltext |
Выпуск № 103 220
УДК 556.06
Е.С. Тужикова, инж. II кат.
(Приднепровский научный центр НАН Украины и МОН Украины)
ПРОБЛЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МИГРАЦИИ
ЗАГРЯЗНЕНИЙ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ
В статті розглянуто проблему забруднення підземних вод. Розглянуто основні методи
моделювання і прогнозування розповсюдження забруднення в підземних водах. Показано,
що існуючі методи моделювання міграції забруднень потребують суттєвої модернізації.
MODELING OF MIGRATION ISSUES CONTAMINATION
IN GROUNDWATER
The article deals with the problem of groundwater pollution. The main methods of modeling and
predicting spread of contamination in groundwater. It is shown that the existing methods for modeling
migration of contaminants need substantial upgrading.
Вода является наиболее распространѐнным и универсальным природным ре-
сурсом. Водные ресурсы, как и полезные ископаемые, – часть нашего националь-
ного богатства. Тяжело найти область народного хозяйства или отдельные произ-
водства, которые могли бы обойтись без воды.
Взаимодействие человека и гидросферы имеет различные аспекты. Среди от-
рицательных последствий этого взаимодействия наиболее серьезными являются
загрязнение и истощение поверхностных и подземных вод вследствие бурного
развития всех отраслей промышленности, сельского хозяйства, роста численно-
сти населения в отдельных странах и т.д.
Проблема загрязнения гидросферы является одной из наиболее актуаль-
ных и вместе с тем важных вопросов в охране окружающей среды. Острота
этой проблемы возрастает в связи с загрязнением крупных рек и озер и
стремлением к переходу на водоснабжение подземными водами, обладающи-
ми, по сравнению с поверхностными, более высоким качеством и стабильно-
стью.
Например, в Днепропетровской области, которая хорошо снабжена по-
верхностными водными ресурсами, водоснабжение восточной ее части и час-
тично центральной осуществляется за счет подземного водозабора (рис. 1).
При этом, эти же части области характеризуются значительной техноген-
ной и антропогенной нагрузкой (рис.2).
Загрязнение подземных вод вызывает ухудшение их свойств и состава,
ограничивающее или даже не допускающее использование подземных вод
(для питьевых, хозяйственных, ирригационных и других целей). Загрязнение
подземных вод происходит под влиянием как техногенных, так и естествен-
ных природных процессов. Это воздействие на подземную гидросферу может
иметь как региональный, так и локальный характер.
"Геотехническая механика" 221
Рис.1 – Типы и расположение водозаборов на территории
Днепропетровской области (по данным [1])
Рис. 2 – Уровни антропогенной нагрузки на территории
Днепропетровской области (по данным [1])
Выпуск № 103 222
Подземные воды, по сравнению с поверхностными, в целом характеризуются
значительно более высокой естественной защищенностью от различных видов
загрязнения. Однако и для подземных вод, особенно для условий первого от по-
верхности грунтового водоносного горизонта, существует достаточно много пу-
тей их возможного загрязнения.
Загрязнение подземных вод может происходить через атмосферу путем выпа-
дения и последующей инфильтрации уже загрязненных атмосферных осадков;
через загрязненные поверхностные воды на участках их поглощения в грунтовые
водоносные горизонты; при инфильтрации чистых атмосферных осадков и по-
верхностных вод через загрязненную поверхность земли и почвенный слой (при
внесении минеральных удобрений и ядохимикатов); путем фильтрации жидких
продуктов или отходов производства и канализационных стоков при утечках из
трубопроводов и сетей или на местах их складирования (сточные ямы, отстойни-
ки, шламонакопители и др.) при отсутствии или недостаточной надежности про-
тивофильтрационных мер; при инфильтрации атмосферных осадков и поверхно-
стных вод на участках складирования твердых отходов (коммунальные или про-
мышленные свалки, отвалы горнодобывающих предприятий и др.). Источником
интенсивного загрязнения, в том числе и глубоко залегающих подземных вод, яв-
ляются захоронение жидких и твердых отходов промышленного производства
(как правило, наиболее вредных, высокотоксичных или радиоактивных отходов)
путем закачки их в глубокие поглощающие скважины или «захоронения» в отра-
ботанных шахтах и карьерах.
Также источниками загрязнения могут являться ликвидированные, но не изо-
лированные с поверхности колодцы, буровые скважины, шахтные стволы, а так-
же глубокие скважины, разведочные или эксплуатационные (нефть, газ, промыш-
ленные воды) или скважины, используемые для закачки промышленных отходов
при их недостаточно надежной изоляции от вышележащих водоносных горизон-
тов.
Источники накопления загрязняющих компонентов разделяются на дейст-
вующие, периодически и случайно действующие. Довольно часто загрязнения
подземных вод происходит несколькими путями и из разных источников (рис. 3).
Такое загрязнение является наиболее опасным и длительным [2] .
На территории Украины по состоянию на 01.01.2008 год выявлено 326 ос-
новных очагов загрязнения подземных вод. Воды в зоне влияния этих очагов
загрязнены хлоридами, сульфатами, нитратами, аммиаком, роданидами, фе-
нолами, нефтепродуктами, марганцем, свинцом, стронцием в количествах, в
отдельных случаях, в несколько раз превышающих допустимые.
На территории Днепропетровской области, например, загрязнение под-
земных вод часто наблюдается в районах развития промышленности, а наи-
более интенсивное - на участках накопления твердых и жидких промышлен-
ных отходов. Значительные территории области отведены под сельскохозяй-
ственные угодья, где главное значение в загрязнении подземных вод имеют
минеральные удобрения. На территории все той же Днепропетровской облас-
ти выявлены значительные по площади территории, где отмечают достаточно
"Геотехническая механика" 223
большие значительные превышения ПДК по кадмию (Сd), селену (Se), ртути
(Hq), литию (Li), свинцу (Pb), брому (Br), барию (Ba).
Рис. 3 – Источники загрязнения подземных вод
Также выявлены комплексные техногенные аномалии. Наиболее крупной
из них является аномалия на правом берегу Днепра г. Днепропетровска, в
районах населенных пунктов Широкое, Апостолово, Соленое, юго-западнее
Межевой. Здесь в больших количествах зафиксированы молибден (Мо), ни-
кель (Ni), кобальт (Co), мышьяк (As), бром (Br), селен (Se), ртуть (Hg), свинец
(Pb) [1] .
В 2007 году выявлено пять новых основных очагов загрязнения, в том
числе: Автономная Республика Крым - 4 очага бактериологического загряз-
нения, Черкасская область - 1 очаг хлоридного загрязнения, а также 42 новых
локальных очага органического и химического загрязнения (Львовская об-
ласть - 18, Николаевская - 17, Одесская - 5, Тернопольская и Черновицкая
области - по 1).
Под влиянием интенсивной эксплуатации и водоотлива сформировалось
29 участков истощения подземных вод (Автономная Республика Крым - 26,
Днепропетровская область - 3), где происходит снижение уровня, подтягива-
ния соленых вод из нижезалегающих водоносных горизонтов и, как следст-
вие, увеличение минерализации и общей жесткости подземных вод. Через ис-
тощение запасов подземных вод, а также их загрязнения значительно ухуд-
шились условия водоснабжения местного населения [4] .
Выпуск № 103 224
Предотвращение загрязнения и истощения подземных вод и неблагопри-
ятных последствий от этих явлений – главная задача охраны подземных вод –
нового направления гидрогеологии, развивающегося в последние годы.
Вместе с тем, по сравнению с поверхностными, охрана подземных вод от
загрязнения представляет собой гораздо более сложную задачу, что связано с
необходимостью не столько заранее обнаружить, сколько своевременно пре-
дупредить возможность поступления загрязнителя в водоносный пласт. В
противном случае загрязнение подземных вод обнаруживается с запозданием
и ликвидация его становится делом сложным, дорогостоящим, а порой и про-
сто невозможным [2] .
Ввиду природной динамики, присущей всем подземным водам, загрязне-
ния в водоносных горизонтах могут распространяться на большие расстоя-
ния.
Распространение загрязняющих веществ от участков (очагов) загрязнения в
самом водоносном горизонте определяется направлением и скоростью движения
потока подземных вод. Однако конвективный перенос загрязняющих веществ с
потоком подземных вод практически всегда сопровождается проявлением ряда
химических (выщелачивание, выпадение в осадок, комплексообразование и др.),
физико-химических (сорбция, диффузия, дисперсия) и микробиологических про-
цессов, существенно влияющих на состав и содержание тех или иных компонен-
тов. При этом по существующим представлениям наиболее существенными яв-
ляются процессы химической и физической сорбции загрязняющих веществ, ак-
тивно протекающие в почвенном слое, породах зоны аэрации, в самих водонос-
ных горизонтах и разделяющих слабопроницаемых слоях. Наибольшей сорбци-
онной емкостью обычно характеризуются почвы и рыхлые тонкодисперсные, в
том числе и слабопроницаемые, породы (супеси, суглинки, глины и др.); наи-
меньшей – трещиноватые и закарстованные породы, в которых практически все
виды загрязнения распространяются сравнительно быстро и на значительные рас-
стояния.
Изучению закономерностей распространения загрязнений и подземных водах
посвящены работы многих советских (Ф. М. Бочевер, Н. Н. Веригин, В. М.
Гольдберг, Е. Л. Минкин, В. А. Мироненко, А. Е. Орадовская, А. А. Рошаль, В.
М. Шестаков и др.) и зарубежных (Р. Гловер, Р. Дей, А. Шейдеггер, Ж. Фрид и
др.) исследователей.
Проведенные исследования показали, что процесс изменения качества воды
является весьма сложным и многофакторным, а его прогнозы с учетом действия
всех факторов при существующей степени изученности этого процесса практиче-
ски невозможны. В связи с этим при решении инженерных задач часто исполь-
зуют приближенные решения, основанные на различного рода допущениях. Под-
робная характеристика моделей, используемых при прогнозах миграции, приве-
дена в работах [5-7]. При этом под миграцией в настоящее время принято пони-
мать «перемещение и трансформацию компонентов подземных вод, приводящие
к изменению их содержания» [7].
Для количественной оценки и прогноза состояния экологических систем, их
"Геотехническая механика" 225
реакций на антропогенное воздействие, особенно на уровне небольших, но рас-
пространенных на значительных территориях воздействий, исключительно эф-
фективным является метод математического моделирования. Метод математиче-
ского моделирования играет значительную роль, особенно если конечной целью
является не только описание и оценка состояния окружающей среды, но и его ре-
гулирования с учетом фактического и прогнозируемого состояния, с учетом эко-
логического резерва, что в итоге должно служить оптимизации взаимоотношений
человеческого общества с окружающей средой.
Для эффективного выбора мер и средств защиты подземной гидросферы от
источников загрязнения, находящихся в недрах (ликвидированные отработанные
рудники, подземные хранилища загрязняющих веществ) и могут мигрировать по
каналам гидродинамических связей, возникает необходимость создания матема-
тических моделей и систем автоматизированного пространственно-временного
прогнозирования загрязнения подземных водоносных горизонтов загрязняющи-
ми веществами на основе аналитических зависимостей изменения в пространстве
и времени концентраций загрязняющих веществ, которые позволяют спрогнози-
ровать ареалы распространения мигрантов при ограниченном количестве исход-
ной информации.
Изучение ареальных частей объемов рассеивания загрязняющих веществ в
подземном водоносном потоке проводится в настоящее время методами матема-
тического и физического моделирования в лабораторных условиях и на натурных
экспериментах.
Прогнозирование изменений гидродинамического и гидрохимического со-
стояния территорий применяются различные методы. Например, метод аналогий,
который применяется для приближенных оценок при отсутствии необходимых
для точного прогноза данных. Метод физического моделирования используется
при отсутствии математической модели процесса или имеющиеся данные недос-
таточны для применения математического аппарата. При этом, физическое моде-
лирование проводится как в лабораторных так и в натурных условиях.
Среди методов математического моделирования следует выделить несколько
основных [8]. Метод гидравлических аналогий предусматривает замену области
фильтрации гидравлической моделью и основан на применении закона Дарси.
Метод электрогидродинамических аналогий основан на математической анало-
гии процесса движения жидкости в пористой среде и тока проводнике. Близкие
математические выражения закона Дарси и закона Ома позволяют проводить
аналогии между напором и потенциалом тока, фильтрационным и электрическим
сопротивлением, расходом воды и силой тока. С учетом рассчитанных масштаб-
ных коэффициентов набирают по трем координатам электрическую модель
фильтрационной среды с заданными границами фильтрационного поля. Модели-
рование проводят на сеточных моделях либо на сплошной среде.
Часто используют и стохастическое моделирование.
Методы численного моделирована с использованием ЭВМ основаны на ре-
шении основного гидрогеологического уравнения баланса вод, которое необхо-
димым образом преобразуется для конкретных гидрогеологических условий.
Выпуск № 103 226
Для целей численного моделирования разработан и применяется целый ряд
программного обеспечения:
- MtWolFw - программный комплекс для построения трехмерных конечно-
разностных моделей фильтрации и переноса загрязнений. Имеет графический
ввод и редактирование данных, 2D и 3D представления результатов;
- DensFlow - конечно-разностная нестационарная двумерная фильтрационная
модель с учетом переменной плотности фильтрующегося флюида (двухфазный
поток с постоянной плотностью по каждой фазе);
- GWFWin3D - конечно-разностная нестационарная трехмерная модель
фильтрации подземных вод;
- RELIS - конечно-разностная нестационарная двумерная осесимметричная
модель фильтрации подземных вод, имитирующая проведение опытно-
фильтрационных работ;
- NODEK - конечно-разностная одномерная модель миграции подземных вод
с учетом конвекции, дисперсии, нелинейной гистерезисной сорбции/десорбции,
осложненной радиоактивным распадом;
- AQUITEST - программное обеспечение для анализа результатов опытно-
фильтрационных работ на базе аналитических зависимостей (более ста решений
краевых задач);
- GWF&GEM - решение сопряженной задачи формирования естественного
электрического поля при фильтрации подземных вод (2D);
- и ряд других.
Кроме того, численное моделирование гидрогеологических задач произво-
дится на разработанном и нелицензированном программном обеспечении.
Принципиально большие возможности методов моделирования в большинст-
ве случае трудно реализуемы из-за недостаточной гидрогеологической информа-
ции и неуниверсальности модели, которая может подходить только для какого-то
конкретного объекта.
Современное развитие знаний помогает решить как классические задачи,
например моделирование движение грунтовых вод и перенос растворенных в
них загрязняющих веществ, так и оригинальные, например, расчет
интенсивности поступления загрязняющих веществ с поверхности грунта в
грунтовые воды и оценка риска загрязнения водных объектов путем
стохастического моделирования.
Но, несмотря на возможность прогнозирования, проблема охраны
подземных вод от загрязнения остается острой и является, прежде всего,
проблемой социально-экономической.
К тому же, ввиду образовавшихся за последние годы значительных площадей
с нарушенным геологическим и соответственно гидрогеологическим строением
толщи пород, созданных техногенных массивов, большинство известных гидро-
геологических законов, на которых основываются применяемые методы матема-
тического, численного, имитационного, физического моделирования, не работа-
ют, что неизбежно приводит к ошибкам в прогнозах.
Таким образом, можно сделать вывод, что существующие методы моделиро-
"Геотехническая механика" 227
вания миграции загрязнений подземных вод не учитывают современные изме-
нившиеся условия залегания и протекания подземных вод. Следовательно, для
создания эффективной модели необходимо первоначально установить принципи-
ально новые закономерности гидродинамического, гидрохимического баланса
вод, взаимодействия водоносных горизонтов с техногенными объектами, условия
распространения подземных вод на территориях с нарушенным геологическим
строением массива.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Екологічний атлас Дніпропетровської області / За заг.ред. А.Г.Шапаря. - Дніпропетровськ: Моноліт, 2009. –
64 с.
2. Орадовская, А.Е. Санитарная охрана водозаборов подземных вод / А.Е. Орадовская, Н.Н. Лапшин. — М.:
Недра, 1987. — 167 с.
3.Шварцев, С.Л. Общая гидрогеология: Учебник для вузов / С.Л. Шварцев. – М.: Недра, 1996. – 423 с.
4. Національна доповідь про стан навколишнього природного середовища в Україні Міністерства охорони нав-
колишнього природного середовища України
5. Рошаль, А.А. Методы определения миграционных параметров / А.А. Рошаль. - М. ВНИИ экон. минер. сырья
и геол.-развед. работ, 1980. - 62 с.
6. Мироненко, В.А. Горнопромышленная гидрогеология / В.А. Мироненко, Е.В.Мольский, В.Г.Румынии. - М.:
Недра, 1989. — 287 с.
7. Лукнер, Л. Моделирование миграции подземных вод / Л. Лукнер, В.М.Шестаков. - М.: Недра, 1986.- 208 с.
8. Иванов, В.А. Прикладное математическое моделирование качества вод шельфовых морских екосистем / В.А.
Иванов, Ю.С.Тучковенко. – Севастополь: МГИ НАН Украины. – 2006.- 368 с.
УДК 621.6.04:[622.74:621.928-752.001.572].001.361
П.Е. Филимонов, к. т. н.
(ПАО «Шахта им. А.Ф. Засядько»),
В.Л. Морус, к. т. н.
(ИГТМ им. Н.С. Полякова НАН Украины)
МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ ПАРАМЕТРОВ МАТЕМАТИЧЕСКИХ
МОДЕЛЕЙ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ГИБКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ,
ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ С СЫПУЧЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ
НАГРУЗКОЙ
Для математичних моделей гнучкої вібруючої поверхні й сипучого навантаження розробле-
ний метод ідентифікації параметрів, заснований на мінімізації квадратичного нев'язання конт-
рольованого показника об'єкта і його математичного опису.
METHOD OF IDENTIFICATION OF THE PARAMETERS OF
MATHEMATICAL MODELS MULTISPAN FLEXIBLE SURFACES,
INTERACTING WITH BULK TECHNOLOGICAL LOADING
For the mathematical models of flexible vibrating surface and bulk load developed a
method of parameter identification based on the minimization of the quadratic residual
rate controlled object and its mathematical description.
Построение математической модели, адекватной объекту исследования со-
пряжено со значительными трудностями. Затруднения связаны, как правило, с
выбором степени детализации расчетной схемы, а также в связи с определением
значений отдельных параметров объекта. Для построения математической моде-
|