Ученые Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал Пермского федерального исследовательского центра УрО РАН) построили математическую модель, описывающую перенос загрязнений с полигона твердых коммунальных отходов в грунтовые воды. Исследование показало, что после медленного диффузионного этапа возникает конвективная неустойчивость, при которой поток вредных веществ ускоряется на порядки и принимает форму узких высокоскоростных струй («пальцев»). Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ) и опубликована в журнале Physics of Fluids.
Несмотря на развитие технологий переработки, в России основным способом обращения с твердыми коммунальными отходами (ТКО) остается их складирование на специализированных полигонах. При разложении отходов образуются водорастворимые соединения. Атмосферные осадки, проходя через тело полигона, формируют фильтрат — жидкость, содержащую тяжелые металлы, органические и неорганические загрязнители. При эксплуатации основание полигона деформируется, возникают локальные понижения, где дренажная система перестает работать эффективно. В этих углублениях скапливается фильтрат, который затем может просачиваться через основание и при неблагоприятных условиях достигать грунтовых вод, питающих реки.
Измерение загрязнения грунтовой толщи (недр и подземных вод) принципиально отличается от мониторинга воздуха или поверхностных вод. Если для атмосферы или реки достаточно поставить сравнительно недорогой датчик, то «заглянуть» под землю без прямого вмешательства практически невозможно. Поэтому необходимый инструмент прогнозирования распространения загрязнений под землей — это математическое моделирование.
Коллективом ИМСС УрО РАН проведен комплекс полевых исследований: выполнен анализ архивных данных, отобраны пробы грунта и фильтрата на действующем полигоне ТКО, определены химические показатели фильтрационных и грунтовых вод. На основе этих данных построена математическая модель многослойного основания полигона (чередующиеся слои песка, глины и других субстратов с переменной пористостью и проницаемостью). Просачивание фильтрата через такое основание описывается системой уравнений фильтрации и массопереноса.
Численное моделирование показало, что эволюция загрязнения проходит две стадии:
1. Диффузионная стадия — медленное молекулярное проникновение растворенных веществ, скорость переноса низка.
2. Конвективная стадия — после накопления критического объема фильтрата в углублении развивается гравитационная неустойчивость. Возникает упорядоченная структура в виде высокоскоростных «пальцев», вдоль которых загрязнитель движется как единое целое.
В конвективном режиме скорость переноса вредной примеси на порядки превышает диффузионную. Установлено, что при увеличении объема воды, поступившей в углубление дна полигона, в четыре раза количество вредной примеси, достигшей водоносного горизонта, возрастает почти на порядок (в 8–10 раз). Таким образом, даже локальные неровности дна полигона способны стать «воротами» для быстрого и массового поступления загрязнений в подземные воды.
Старший научный сотрудник лаборатории вычислительной гидродинамики к.ф.-м.н. Я.Паршакова рассказала: «Ключевым результатом нашей работы стало обоснование необходимости учета мощности слоя залегания отходов в математических моделях миграции загрязнений. В отличие от традиционных подходов, где этот параметр часто нивелируется, мы показали, что мощность слоя отходов принципиально влияет на кинетику накопления фильтрата и момент смены диффузионного режима конвективным. Данный фактор должен учитываться как при проектировании систем мониторинга и защите основания полигонов ТКО, так и при оценке сопряженных экологических рисков. Научная новизна нашей работы заключается в выявлении и количественном описании этого ранее не рассматривавшегося механизма».
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
