НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК


НОВОСИБИРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

ISSN (печатн.): 1814-1196          ISSN (онлайн): 2658-3275
English | Русский

Последний выпуск
№3(76) Июль - Сентябрь 2019

Математическое моделирование миграции и многостадийных превращений химических веществ в подземных водах

Выпуск № 3 (76) Июль - Сентябрь 2019
Авторы:

Афанасьева Александра Алексеевна,
Назаренко Денис Игоревич,
Швецова-Шиловская Татьяна Николаевна,
Казарезова Елена Викторовна
DOI: http://dx.doi.org/10.17212/1814-1196-2019-3-7-20
Аннотация

Загрязнение подземных вод химическими веществами и продуктами деградации является одной из важных экологических проблем. Для оценки масштабов загрязнения подземных вод широко используются методы математического моделирования. Математическая модель, описывающая распространение химического вещества и неограниченного числа продуктов его деградации в подземных водах, представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных.



В настоящее время широко известны численные методы решения таких систем. Методов, позволяющих получить аналитическое решение таких систем, существует гораздо меньше, и, кроме того, они ограниченно применимы. В статье представлен общий метод построения аналитического решения системы дифференциальных уравнений, описывающих миграцию и многостадийные превращения химических веществ в подземных водах по последовательным реакциям первого порядка. Для описания кинетики многостадийных превращений химических веществ использована теория матриц.



На основе разработанного метода проведено моделирование распространения пестицидов и продуктов их  деградации в подземных водах. Источником токсичных веществ является полигон захоронения пестицидов «Большие Избищи», расположенный в Липецкой области. На полигоне захоронено примерно 1400 т ядохимикатов и существует потенциальная опасность загрязнения токсичными веществами подземных вод. Под полигоном на глубине около 63 м находится водоносный горизонт, являющийся основным источником водоснабжения населения. Выполнена оценка возможности загрязнения пестицидами и продуктами их деградации водоносного горизонта. Значения прогнозируемых концентраций пестицидов и продуктов их деградации находятся в пределах 10–9…10–14 мг/л.



Корректность предлагаемого метода подтверждена путем сравнения расчетных значений концентраций с данными натурных наблюдений.



Ключевые слова:



Загрязнение подземных вод химическими веществами и продуктами деградации является одной из важных экологических проблем. Для оценки масштабов загрязнения подземных вод широко используются методы математического моделирования. Математическая модель, описывающая распространение химического вещества и неограниченного числа продуктов его деградации в подземных водах, представляет собой систему дифференциальных уравнений в частных производных.



В настоящее время широко известны численные методы решения таких систем. Методов, позволяющих получить аналитическое решение таких систем, существует гораздо меньше, и, кроме того, они ограниченно применимы. В статье представлен общий метод построения аналитического решения системы дифференциальных уравнений, описывающих миграцию и многостадийные превращения химических веществ в подземных водах по последовательным реакциям первого порядка. Для описания кинетики многостадийных превращений химических веществ использована теория матриц.



На основе разработанного метода проведено моделирование распространения пестицидов и продуктов их  деградации в подземных водах. Источником токсичных веществ является полигон захоронения пестицидов «Большие Избищи», расположенный в Липецкой области. На полигоне захоронено примерно 1400 т ядохимикатов и существует потенциальная опасность загрязнения токсичными веществами подземных вод. Под полигоном на глубине около 63 м находится водоносный горизонт, являющийся основным источником водоснабжения населения. Выполнена оценка возможности загрязнения пестицидами и продуктами их деградации водоносного горизонта. Значения прогнозируемых концентраций пестицидов и продуктов их деградации находятся в пределах 10–9…10–14 мг/л.



Корректность предлагаемого метода подтверждена путем сравнения расчетных значений концентраций с данными натурных наблюдений.


Ключевые слова: подземные воды, математическое моделирование, токсичные вещества, продукты деградации, пестициды, гербициды, последовательные реакции первого порядка, уравнение турбулентной диффузии, аналитический метод

Список литературы

1. Хубларян В.Г. Водные потоки в различных средах. – М.: Геос, 2009. – 468 с.



2. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. – М.: Недра, 1984. – 262 с.



3. Путилина В.С. Миграция загрязняющих органических соединений в подземные воды // Геоэкология. – 2003. – № 4. – С. 309–317.



4. Крайнов С.Р. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. – М.: Недра, 1988. – 254 с.



5. Bear J., Cheng A. Modeling groundwater flow and contaminant transport. – New York: Springer Publishing Company, 2010. – 834 р.



6. Roy J.W., Bickerton G. Toxic groundwater contaminants: an overlooked contributor to urban stream syndrome? // Environmental Science and Technology. – 2012. – Vol. 46 (2). – P. 729–736.



7. Kumar C.P. Groundwater modeling // Hydrological Developments in India since Independence. – Roorkee: National Institute of Hydrology, 1992. – P. 235–261.



8. Groundwater modeling. Remediation and Redevelopment Division resource materials. – Michigan: Department of Environmental Quality Remediation and Redevelopment Division, 2014.



9. Fundamentals of ground-water modeling. – Washington: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Solid Waste and Emergency Response, 1992.



10. Hromadka T.V. A review of groundwater contaminant transport modeling techniques // Environmental Modeling / ed. by P. Melli, P. Zannetti. – Dordrecht: Springer Netherlands, 1992. – P. 35–54.



11. Fetter C.W. Contaminant hydrogeology. – New York: MacMillan Publishing Company, 1993.



12. McDonald M.G., Harbaugh A.W. The history of MODFLOW // Ground Water. – 2003. – № 41 (2). – P. 280–283.



13. Karatzas G.P. Developments on modeling of groundwater flow and contaminant transport // Water Resources Management. – 2017. – Vol. 31, N 10. – P. 3235–3244.



14. Modeling of groundwater flow and contaminant transport in two-dimensional geometries in an unconfined aquifer / F. Dimane, I. Hanafi, A. El Himri, K. Haboubi, F.M. Cabrera, J.T. Manzanares // Advanced Materials Research. – 2014. – Vol. 1010–1012. – P. 1023–1027.



15. Karanovic M., Neville C.J., Andrews C.B. BIOSCREEN_AT: BIOSCREEN with an exact analytical solution // Ground Water. – 2007. – Vol. 45, N 2. – P. 242–245.



16. Crowe A.S., Shikaze S.G., Ptacek C.J. Numerical modelling of groundwater flow and contaminant transport to Point Pelee marsh, Ontario, Canada // Hydrological Processes. – 2004. – Vol. 18, N 2. – P. 293–314.



17. Гидрогеологические исследования за рубежом / под ред. Н.А. Маринова. – М.: Недра, 1982. – 428 с.



18. BIOCHLOR. Natural attenuation decision support system: user’s manual. Version 1.0. – Washington: U.S. Environmental Protection Agency, Office of Research and Development, 2000. – 54 p.



19. Genuchten M.Th. van. Convective-dispersive transport of solutes involved in sequential first-order decay reactions // Computers and Geosciences. – 1985. – N 11 (2). – P. 129–147.



20. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. – М.: Физматлит, 2010. – 560 с.



21. Каплан И.А. Практические занятия по высшей математике. – Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1960. – 228 с.



22. Domenico P.A. An analytical model for multidimensional transport of a decaying contaminant species // Journal of Hydrology. – 1987. – № 91. – P. 49–58.



23. Gilliom R.J. Pesticides in U.S. streams and groundwater // Environmental Science and Technology. – 2007. – N 41 (10). – P. 3408–3414.



24. Разложение гербицидов / под ред. П. Керни и Д. Кауфмана; пер. с англ. под редакцией Н.Н. Мельникова. – М.: Мир, 1971. – 358 с.

Для цитирования:

Математическое моделирование миграции и многостадийных превращений химических веществ в подземных водах / А.А. Афанасьева, Д.И. Назаренко, Т.Н. Швецова-Шиловская, Е.В. Казарезова // Научный вестник НГТУ. – 2019. – № 3 (76). – С. 7–20. – DOI: 10.17212/1814-1196-2019-3-7-20.

For citation:

Afanasyеva A.A., Nazarenko D.I., Shvetsova-Shilovskaya T.N., Kazarezova E.V. Matematicheskoe modelirovanie migratsii i mnogostadiinykh prevrashchenii khimicheskikh veshchestv v podzemnykh vodakh [Mathematical modeling of migration and multi-stage transformations of chemicals in groundwater]. Nauchnyi vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universitetaScience bulletin of the Novosibirsk state technical university, 2019, no. 3 (76), pp. 7–20. DOI: 10.17212/1814-1196-2019-3-7-20.

Просмотров: 31