Mathematical Modeling of Filtration and Geomigration Under Conditions of Anthropogenic Load

ENG: Purpose. The aim of this study is to develop mathematical models for predicting the processes of contamination of the aeration zone and groundwater in the event of leachate leakage from a solid waste landfill. The mathematical models take into account typical hydrological parameters: porosity of the aeration zone, aquifer, filtration coefficient of the aeration zone, filtration coefficient of the underground aquifer, intensity of leachate infiltration into the aeration zone and underground aquifer. Methodology. A one-dimensional filtration equation and a one-dimensional mass transfer equation were used to model the process of infiltrate migration in the aeration zone. The modeling of the process of contamination of the underground aquifer, which receives infiltrate from the landfill, was carried out on the basis of a two-dimensional equation (planned model) of geomigration. For the numerical integration of the model equations, a variable-triangular finite-difference splitting scheme was used. The numerical integration of the two-dimensional geomigration equation is performed using the splitting scheme. The peculiarity of the proposed numerical models is that the value of the unknown function can be determined by an explicit formula. Findings. Numerical models have been developed to solve the complex problem of predicting the contamination of the aeration zone and underground flow in the case of infiltration of an impurity from a solid waste landfill. Originality. Numerical models of filtration and mass transfer of impurities in the case of migration of infiltrate from a municipal solid waste landfill through the aeration zone and into groundwater are proposed. To apply these mathematical models, standard hydrological information is required. The models are aimed at solving complex problems in the field of environmental safety and protection. They make it possible to determine the negative impact of landfills on the environment at the stage of justifying the location of future landfills and their size. Practical value. The proposed mathematical models use standard hydrological information, which is important for serial calculations in design organizations, and can be useful for assessing the impact of landfills on environmental pollution.

UKR: Мета. У роботі передбачено розробити математичні моделі для прогнозування процесів забруднення зони аерації та підземних вод у разі витоку фільтрату з полігону твердих побутових відходів. Математичні моделі враховують типові гідрологічні параметри: пористість зони аерації, водоносного горизонту, коефіцієнт фільтрації зони аерації, коефіцієнт фільтрації підземного водоносного горизонту, інтенсивність інфільтрації фільтрату в зону аерації та підземний водоносний горизонт. Методика. Для моделювання процесу міграції інфільтрату в зоні аерації використано одновимірне рівняння фільтрації та одновимірне рівняння масо-переносу. Моделювання процесу забруднення підземного водоносного горизонту, до якого надходить інфільтрат з полігону, проведено на базі двовимірного рівняння (планова модель) геоміграції. Для чисельного інтегрування рівнянь моделі використано зміннотрикутну скінченнорізницеву схему розщеплення. Чисельне інтегрування двовимірного рівняння геоміграції виконано за схемою розщеплення. Особливістю запропонованих чисельних моделей є те, що значення невідомої функції можна визначити за явною формулою. Результати. Розроблено чисельні моделі для розв’язання комплексної задачі прогнозування забруднення зони аерації та підземного потоку в разі інфільтрації домішки з полігону твердих побутових відходів. Наукова новизна. Запропоновано чисельні моделі фільтрації та масопереносу домішок у випадку міграції інфільтрату з міського полігону твердих побутових відходів через зону аерації та в підземні води. Для застосування цих математичних моделей потрібно стандартна гідрологічна інформація. Моделі спрямовані на розв’язання комплексних задач у сфері екологічної безпеки та охорони довкілля. Вони дають можливість визначати негативний вплив полігонів ТПВ на навколишнє середовище на етапі обґрунтування місця розташування майбутніх полігонів та їх розмірів. Практична значимість. Запропоновані математичні моделі використовують стандартну гідрологічну інформацію, що важливо для серійних розрахунків у проєктних організаціях, і можуть бути корисними для оцінки впливу полігонів ТПВ на забруднення навколишнього середовища.