Моделювання процесів фільтрації та тепломасопереносу в підземних водах: прикладні аспекти

UKR: Мета. Утилізація рідинних відходів є актуальною проблемою в багатьох країнах світу. Найбільш широко поширеним засобом їх утилізації є створення ставків-відстійників. Однак такий підхід вимагає значних площ землі, що виводяться з експлуатації, а також супроводжується інтенсивним забрудненням зони аерації та ґрунтових вод, які широко використовуються для водопостачання в сільській місцевості. Тому постійно здійснюється пошук альтернативних методів утилізації рідинних відходів для кожного конкретного регіону. Одним з шляхів утилізації рідинних відходів, що часто використовується, зокрема, за кордоном, є підземне заховання відходів. Такий підхід може бути дуже ефективним та не шкодить навколишньому середовищу, якщо є відповідні гідрологічні умови в регіоні, а саме – підземні горизонти, що розташовані глибоко та містять некондиційні підземні води. Використання такого підходу потребує використання спеціалізованих математичних моделей. Метою роботи є розробка швидкорозрахункових математичних моделей для оцінювання впливу підземного заховання рідинних стоків на забруднення підземних вод. Методика. Для рішення задач масопереносу домішки в підземному водоносному горизонті використовується рівняння масопереносу. Для моделювання динаміки ґрунтових вод використовується планова модель фільтрації. Для опису процесу геоміграції використовується двовимірне рівняння масопереносу. Процес теплового забруднення ґрунтових вод моделюється на базі рівняння енергії. Для чисельного інтегрування рівняння фільтрації використовується явна різницева схема. Чисельне інтегрування моделюючого рівняння масопереносу та енергії здійснюється на базі змінно-трикутної схеми розщеплення. Результати. Розглянуто побудову математичних моделей тепломасопереносу, що дозволяють оцінювати динаміку зміни режиму ґрунтових вод та процесів тепломасопереносу при підземному захованні рідинних відходів. Наукова новизна. Розглянуто побудову чисельних моделей для аналізу впливу підземного заховання рідинних відходів на підземні води. Чисельні моделі враховують конвективно-дифузійний процес поширення домішки та зміну теплового режиму в ґрунтових водах. Практична значимість. Розглянуті математичні моделі можуть бути використані при проектуванні систем підземного заховання рідинних відходів.

ENG: Purpose. Liquid waste disposal is an urgent problem in many countries around the world. The most widely used method of liquid waste disposal is the creation of sedimentation ponds. However, this approach takes a significant amount of land out of use and, in combination with intensive pollution of the aeration zone and groundwater, is widely used for water supply in rural areas. Therefore, alternative methods of liquid waste disposal are constantly being sought for each specific region. One of the ways to dispose of liquid waste that is often used, in particular abroad, is underground disposal. This approach can be very effective and environmentally friendly if there are suitable hydrological conditions in the region, namely deep underground horizons containing substandard groundwater. This approach requires the use of specialised mathematical models. The aim of this study is to develop fast-calculating mathematical models for assessing the impact of underground disposal of liquid wastewater on groundwater pollution. Methodology. The mass transfer equation is used to solve the problems of mass transfer of impurities in the underground aquifer. A planned filtration model is used to model groundwater dynamics. A two-dimensional mass transfer equation is used to describe the geomigration process. The process of thermal contamination of groundwater is modeled on the basis of the energy equation. An explicit difference scheme is used to numerically integrate the filtration equation. Numerical integration of the modeling equation of mass transfer and energy is carried out on the basis of a variable-triangular splitting scheme. Findings. The development of mathematical models of heat and mass transfer, which allow to estimate the dynamics of changes in the groundwater regime and heat and mass transfer processes during underground disposal of liquid waste, is considered. Originality. The article considers the development of numerical models for analyzing the impact of underground disposal of liquid waste on groundwater. Numerical models take into account the convective-diffusion process of impurity propagation and changes in the thermal regime in groundwater. Practical value. The considered mathematical models can be used in the design of underground liquid waste disposal systems.