Математическое моделирование процессов загрязнения подземных вод ртутью icon

Математическое моделирование процессов загрязнения подземных вод ртутью


Смотрите также:
«нимфа»
Учебная программа. Наименование тем, их содержание...
« Методы и обоснование системы мониторинга подземных вод »....
7. Подземные воды (классификация, законы движения)...
Информационная основа мониторинга подземных вод россии...
1-е информационное письмо Международная научная конференция «клиодинамика: философское...
Рабочая программа учебной дисциплины ен. Р...
Рабочая программа учебной дисциплины ен. Р...
Вторая Международная научная конференция моделирование нелинейных процессов и систем...
Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 13...
Моделирование процессов самообучения интеллектуальных систем на нечетких семантических сетях в...
“Компьютерное моделирование работы схемы усилителя”...



Загрузка...
скачать
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД РТУТЬЮ

Паничкин В.Ю., Мирошниченко О.Л., Трушель Л.Ю., Захарова Н.М., Винникова Т.Н.

Институт гидрогеологии и гидрофизики им. У.М.Ахмедсафина, Алмата, Казахстан


Введение

Ртуть является одним из наиболее токсичных веществ, способных при попадании в окружающую среду нанести ей непоправимый ущерб. Даже небольшое количество ртути в воде делает ее непригодной для хозяйственно-питьевых целей. Несмотря на то, что ртуть хорошо сорбируется глинистыми породами, при попадании в водоносный горизонт она может переноситься потоком подземных вод на значительные расстояния. Это создает реальную опасность попадания ртути в водозаборные сооружения.

Основным источником загрязнения ртутью подземных вод являются предприятия, производящие хлор и каустическую соду с применением ртутных электролизеров. На территории бывшего СССР имеются несколько регионов, загрязненных ртутью в результате техногенных выбросов промышленных предприятий большей частью производственных объединений "Химпром" и "Каустик" бывшего Министерства химической промышленности СССР, часть из которых до сих пор не закрыта [1-4]. Попадание ртути в окружающую среду привело к значительному загрязнению чрезвычайно токсичными растворимыми ртутными соединениями подземных и поверхностных вод. Эти предприятия расположены на северной окраине г. Павлодар, в г. Темиртау (Казахстан), на территории г. Киев (Украина), в г. Усолье-Сибирское (Россия) и т.д. Как правило, эти производства находятся вблизи поверхностных водных объектов. Безусловно, такое географическое положение создает серьезную опасность для последних.

Институт гидрогеологии и гидрофизики Министерства образования и науки Республики Казахстан в течение ряда лет занимается проблемой ртутного загрязнения подземных вод в рамках ряда международных проектов, финансируемых INCO-Copernicus, ISTC и др. в Казахстане и в Украине [5]. Наш опыт позволяет сделать вывод, что применение методов математического моделирования может существенно повысить эффективность исследований.

^ Система математических моделей гидрогеологических условий Павлодарского промышленного района

Актуальность исследований

В течение ряда лет с использованием методов математического моделирования изучались процессы загрязнения ртутью подземных вод Павлодарского промышленного района. Источником ртутного загрязнения является Павлодарский химический завод, расположенный в 5 км от русла р. Иртыш, который был введен в эксплуатацию в 1975 г. Загрязнение подземных вод происходило преимущественно в результате потерь ртути в цехе производства каустической соды (цех №31), а также утечек из коммуникаций в районе насосной станции, осуществлявшей перекачивание ртутьсодержащих промышленных стоков. По данным обследований, выполненных специалистами Киевского филиала ГОСНИИХЛОРПРОЕКТ потери ртути за период с 1975 по 1990 г. составили более 1000 тонн, при этом большая часть (т.е. около 1000 тонн) оказалась сосредоточена под цехом электролизеров. Концентрация ртути в подземных водах вблизи цеха достигала 12.5-103 мг/л (предельно допустимая концентрация – ПДК, составляет 0.0005 мг/л). Загрязнение распространилось на глубину до 20 м [6, 7].

Гидрогеологические условия

На исследуемой территории получили распространение водоносный горизонт в аллювиальных современных отложениях поймы р.Иртыш (аQIV), водоносный горизонт в верхнечетвертичных отложениях первой надпойменной террасы (аQIII) и водоносный комплекс в верхнемиоценовых нижне-среднеплиоценовых отложениях павлодарской свиты (N1-2pv) (см. рис.1). Первым от поверхности земли региональным водоупором являются глины калкаманской свиты неогена. Водовмещающие породы представлены песками с прослоями не выдержанных по простиранию глин, супесей, суглинков. Подземные воды современных, верхнечетвертичных отложений и отложений павлодарской свиты имеют хорошую гидравлическую связь между собой.

1 – границы между водоносными горизонтами и комплексами; 2 – гидроизогипсы по состоянию на 2007 г., цифры – абсолютные отметки уровней грунтовых вод в м; 3 – области распространения загрязненных ртутью подземных вод, в которых концентрация ртути в воде превышает 0.0005 мг/л; 4 – основные источники загрязнения подземных вод ртутью.




Pис. 1: Схематическая гидрогеологическая карта и прогноз распространения ореола ртутного загрязнения подземных вод при условии локализации основных источников загрязнения


Формирование подземных вод района в естественных условиях осуществлялось преимущественно за счет инфильтрации атмосферных осадков и притока по внешним границам. Поток подземных вод, образующийся в отложениях павлодарской свиты, частично разгружался в верхнечетвертичные отложения, а затем в пойму, которая дренировалась р. Иртыш. Разгрузка подземных вод также происходила в озерные котловины, путем испарения оттока по внешним границам [1].

Существенное влияние на гидрогеологические условия исследуемого региона оказали техногенные факторы – строительство ряда заводов (химического, нефтеперерабатывающего и др.), накопителей сточных вод Былкылдак, Сарымсак и специальных опытно-промышленных прудов-испарителей, золоотвала ТЭЦ, магистрального оросительного канала и массивов орошения и др.

Поток подземных вод, формирующийся в районе золоотвала ТЭЦ, проходит под цехом производства каустической соды, загрязняется ртутью и переносит ее в северо-западном направлении.

^ Цели моделирования

Система разномасштабных взаимосвязанных математических моделей была создана с целью прогнозирования распространения ореола ртутного загрязнения подземных вод для оценки опасности попадания ртути в р. Иртыш и скважины и колодцы с. Павлодарское, а также для разработки мероприятий по снижению риска. Система включает в себя региональную и локальную модели. Региональная модель предназначена для прогнозирования изменения положения уровенной поверхности подземных вод, а также для приблизительной оценки направления перемещения и размеров ореола ртутного загрязнения.

Региональная модель

Границами региональной модели в плане на западе является р.Иртыш, на севере – магистральный оросительный канал. На востоке граница проходит по цепи озер. На модели они схематизированы граничными условиями первого рода. Юго-западная и юго-восточная границы модели проведены по линиям токов и схематизированы как непроницаемые. Озера Былкылдак, Сарымсак и Карабидаик схематизированы как внутренние границы первого рода. Разгрузка подземных вод в результате испарения имитируется граничными условиями третьего рода. Моделируемая область в плане аппроксимирована прямоугольной неравномерной сеткой размером M*N = 99*82, шаг которой изменяется от 50 до 250 м. Минимальный шаг выбран в районе источника ртутного загрязнения подземных вод – цеха по производству каустической соды химического завода, максимальный – по периферии модели. Водовмещающие породы на исследуемой территории представлены песками с прослоями глин, не выдержанных по простиранию. Поэтому в процессе схематизации моделируемая область в разрезе была представлена в виде пяти слоев с учетом особенностей ее литологического строения. Модель учитывает основные региональные факторы, оказывающие существенное влияние на моделируемый процесс - имитирует питание подземных вод за счет инфильтрации атмосферных осадков, сточных вод в районе золоотвала ТЭЦ2-ТЭЦ3, воспроизводит заполнение накопителей Былкылдак и Сарымсак, потери воды из коммуникаций.

Региональная модель создавалась с помощью системы GMS 3.1 [8, 9]. После завершения калибровки на ней было выполнено четыре варианта прогноза распространения ореола ртутного загрязнения сроком на 30 лет. Первый вариант предполагал сохранение существующих источников загрязнения (под цехом и в районе насосной станции, осуществлявшей ранее перекачку ртутьсодержащих промстоков в накопитель Былкылдак). Второй – локализацию источника под цехом, как было предусмотрено программой по демеркуризации территории химзавода. В рамках третьего варианта имитировалось устранение потерь воды в районе очистных сооружений, результатом чего являлось изменение направления потока подземных вод и, как следствие, направление перемещения ореола загрязнения. Локализация двух основных источников загрязнения, расположенных под цехом и в районе насосной станции с помощью фильтрационной завесы типа “стена в грунте”, была воспроизведена при выполнении четвертого варианта прогноза.

Решение прогнозных задач на региональной модели позволяет говорить об отсутствии опасности попадания ртути в ближайшие десятилетия в р. Иртыш и в скважины и колодцы с. Павлодарское при условии сохранения существующих гидрогеологических условий. По результатам прогнозов изоляция основных источников ртути остановит дальнейшее локальное загрязнение подземных вод.

^ Локальная модель

Следует отметить, что региональная модель не учла процессы сорбции ртути водовмещающими породами. Кроме того, слишком грубая схематизация моделируемой области в разрезе не позволила с достаточной степени точностью воспроизвести перемещение загрязненных ртутью подземных вод в вертикальном направлении. Поэтому было принято решение о создании локальной модели на базе программного комплекса GMS 6.0 [10, 11].

Моделируемая территория охватывает загрязненный ртутью участок и более точно отображает изменение гидрогеологических условий в пространстве и во времени. Область моделирования в плане аппроксимирована равномерной ортогональной сетью с шагом 40 м. Гидрогеологические условия в разрезе схематизированы в виде 19 слоев. Локальная модель имитирует процессы сорбции ртути водовмещающими породами. Нами была использована предпосылка о том, что равновесие между растворенной и сорбированной фазами ртути устанавливается мгновенно и сорбция является необратимой. Поэтому для ее описания мы использовали линейную изотерму Генри. Значения констант сорбции для песчаных и глинистых пород задавались по результатам лабораторных определений, выполненных кафедрой научного природопользования Алматинского института энергетики и связи.

В настоящее время на территории Павлодарского промрайона уже сооружены фильтрационные завесы вокруг основных источников загрязнения подземных вод. На локальной модели они сымитированы как области отсутствия водоносного горизонта.

Взаимосвязь локальной и региональной моделей осуществлялась путем задания уровней по границе локальной модели. Они рассчитываются интерполяцией результатов решения гидродинамической задачи на региональной модели в граничные блоки локальной модели. После того, как на локальной модели получено решение гидродинамической задачи, на ней была решена задача транспорта ртути потоком подземных вод сроком на 30 лет.

По результатам решения можно сделать вывод о том, что к концу прогнозного периода ореол ртутного загрязнения подземных вод сохранится, хотя большое количество ртути будет сорбировано глинистыми породами. В результате испарения грунтовых вод с уровенной поверхности ореол ртутного загрязнения приподнимется вверх через “окна” в глинистых прослоях и концентрация ртути в воде вблизи зеркала грунтовых вод увеличится. Это создаст определенную опасность попадания ртути из грунтовых вод в почву и накопление ее в растительности.

Выводы

По результатам моделирования можно сделать вывод о том, что использование системы разномасштабных взаимосвязанных математических моделей является весьма эффективным приемом при исследовании территорий, подверженных техногенному загрязнению подземных вод. Региональная модель используется для получения предварительных прогнозов, локальная – для их уточнения. Это позволяет более достоверно оценить риски и дать более точные рекомендации по их минимизации.

В заключение следует отметить, что на исследуемой территории в настоящее время антропогенное воздействие в значительной мере определяет гидрогеологические условия. Поэтому организация мониторинга и создание постоянно действующих систем моделей является перспективным направлением дальнейших исследований. Это позволит оперативно отслеживать изменение гидрогеологических условий, прогнозировать дальнейшее распространение ореола ртутного загрязнения подземных вод, оценивать эффективность проводимых мероприятий по демеркуризации.

^ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веселов В.В., Паничкин В.Ю., Лушин Э.Н. (2002). Исследование ртутного загрязнения подземных вод в северной части Павлодарского промрайона. Доклад на Международной научно-практической конференции “Естественно-гуманитарные науки и их роль в подготовке инженерных кадров”, Казахский национальный технический университет, Алматы, Казахстан.

2. Тантон Т.В., Веселов В.В., Илющенко М.А., Паничкин В.Ю. (2003). Оценка уровня риска, вызванного ртутным загрязнением северной промышленной зоны города Павлодара. В: Доклады Национальной Академии наук Республики Казахстан, № 4, Издательство “Гылым”, Алматы, стр 78-81.

3. Тантон Т.В., Ульрих С.М., Паничкин В.Ю., Даукеев Г.Ж., Илющенко М.А., Лапшин Е.В., Веселов В.В., Камберов И.М. (2004). ^ Результаты исследования ртутного загрязнения северной промышленной зоны г. Павлодара и предложения по ее демеркуризации. Доклад на Ш Международной научно-практической конференции “Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде (Семипалатинск, 7-9 октября 2004 г.)”, Семипалатинский государственный педагогический институт, Семипалатинск, Казахстан.

4. Ullrich S.M., Ilyushchenko M.A., Panichkin V.Y., Kamberov I.M., Tanton T.W. (2004). Mercury pollution around a chlor-alkali plant in Pavlodar, Northern Kazakhstan. RMZ-Materials and Geoenvironment. Special issue: Mercury as a Global Pollutant, V. 51, № 1, pp. 298-302.

5. Panichkin V., Ilyushchenko M., Postolov L. (2006). Modeling and Forecast of Mercury Polluted Groundwater Spread Outside Industrial Area of JSC “Radical” in Kiev, Ukraine. Report at the eighth International Conference on mercury as a global pollutant, Madison Wisconsin, USA.

6. Паничкин В.Ю., Мирошниченко О.Л., Винникова Т.Н., Трушель Л.Ю., Захарова Н.М. (2007). Исследование процесса ртутного загрязнения подземных вод Павлодарского промрайона (Казахстан) методами математического моделирования. Доклад на Международном симпозиуме “Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы”, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия.

7. Паничкин В.Ю. (2007). ^ Оценка опасности ртутного загрязнения подземных вод северной части Павлодарского промышленного района методами математического моделирования. Доклад на Международном семинаре “Загрязнение ртутью окружающей среды: эмиссия в атмосферу, восстановление территорий и влияние на здоровье”, Министерство охраны окружающей среды Республики Казахстан, Астана, Казахстан.

8. Паничкин В.Ю. (2003). Методика, технология и результаты моделирования ртутного загрязнения подземных вод Павлодарского промрайона. В: Известия НАН РК, Серия геологическая, № 5, Издательство “Гылым”, Алматы, стр 72-78.

9. Паничкин В.Ю. (2003). Геоинформационно-математическая модель ртутного загрязнения подземных вод Павлодарского промрайона. В: Доклады Национальной Академии наук Республики Казахстан, № 6, Издательство “Гылым”, Алматы, стр 89-97.

10. Паничкин В.Ю., Мирошниченко О.Л. (2007). Методика структурного моделирования процессов загрязнения подземных вод в Казахстане. Доклад на Международном симпозиуме “Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы”, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург, Россия.

11. GMS 6.0 Tutorials. (2005). Volume I, Volume II, Volume III. Environmental Modeling Research Laboratory of Brigham Young University.




оставить комментарий
Дата04.03.2012
Размер94.7 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

плохо
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх