PROGNOZIROVANIE RASPROSTRANENIYa KhLORSODERZhAShchIKh SOEDINENIY V BASSEYNE GRUNTOVYKh VOD

Full Text

Актуальность. Количество отходов, производимых человеческим обществом, возрастает. Промышленные отходы обычно по объему бывают меньше, но в них более вероятно содержание опасных материалов, таких как токсичные химические вещества, горючие жидкости и асбест. Хотя общий объем промышленных отходов меньше, чем бытовых, удаление опасных промышленных отходов представляет более серьезную проблему, в сравнении с бытовыми отходами, по причине их опасности для здоровья и риска загрязнения окружающей среды. Загрязнение поверхностных вод может происходить путем смыва осадками, если загрязнен верхний слой почвы, или с помощью грунтовых вод. Когда грунтовые воды питают местный водоем - реку или озеро, загрязнители попадает в этот водоем. Некоторые химические вещества формируют донные отложения, другие - переносятся течением. Предприятия сбрасывают в водоемы отходы промышленности. Пока количество загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу или сбрасываемых в реки, невелико, экосистемы сами в состоянии справиться с ними. Вредные вещества накапливаются в растениях, оседают на дне озер и участков реки с медленным течением, их разлагают микроорганизмы. При умеренном загрязнении вода в реке становится практически чистой через 3-10 км от источника загрязнения. Если загрязнителей слишком много, экосистемы не могут с ними справиться и начинаются необратимые последствия. Хлорированные растворители, типа тетрахлорэтил и трихлорэтил активно используются в различных производственных процессах. Хлорированные растворители, вторые по числу самых часто встречающиеся загрязнителей воды. Эти загрязнители обычно распространяются в окружающей среде как плотные обезвоженные жидкие фазы. Если пролито достаточное количество свободного хлорсодержащего растворителя, загрязнитель может быстро мигрировать в более глубокие области насыщенной зоны водоносного слоя. Под влиянием экологические транспортные процессов адвекции, дисперсии, и диффузии загрязнитель растворяется в воде и переносится в растворенном виде на большие расстояния. Материал и методы исследования. В настоящее время большое количество химически опасных объектов заставляет задуматься об актуальности и своевременности разработок в направлении мониторинга и прогнозирования опасных отходов в регионе. Ниже приведен перечень химически опасных объектов по Воронежской области. ООО ПТП «Воронежский шинный завод», акционерное общество МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-3а, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-4, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-8, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-12, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» СТВ-2, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-9, департамент ЖКХ ОАО «ВАСО», акционерное общество МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-6, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» КНС-29а, департамент ЖКХ МППУ «Воронеж-водоканал» ВПС-11, департамент ЖКХ МП «Управление водопроводно-канализационного хозяйства» (Водозабор№ 3), департамент ЖКХ Цель и задачи исследования - разработка структуры подсистемы моделирования и прогнозирования распространения хлорсодержащих загрязнителей, используя принципы системного подхода, сформировать требования к ней и на основе этих требований определить состав компонент и связи между ними. Полученные результаты и их обсуждение. Система состоит из следующих функциональных блоков: блока приобретения знаний, блока данных и знаний, блока логического вывода, блока объяснения логического поиска, подсистемы анализа и прогноза изменения обстановки, подсистемы генерации решений по защите населения и окружающей среды в аварийной ситуации, подсистемы оценки предлагаемых сценариев действий (контрмер) и выбора наиболее приемлемого, функционирующих в среде управляющей подсистемы. Упрощенная схема СППР представлена на рисунке 1. Рис. 1. Многоуровневая структура мониторинга и прогнозирования аварийных разливов хлорсодержащих соединений Взаимодействие с СППР осуществляется через интеллектуальный интерфейс общения (ИИО). Описание задачи, проблема поступает в блок логического вывода (БЛВ), который, используя информацию из базы знаний (БЗ), генерирует рекомендации по решению проблемы. С помощью блока объяснения решения (БОР) происходит отображение промежуточных и окончательных решений заданной проблемы, пояснение пользователю действий системы. Функция блока приобретения знаний (БПЗ) состоит в поддержке процесса извлечения знаний о соответствующей проблемной области и их проверке на непротиворечивость с имеющимися в БЗ [2]. Задача подсистемы анализа (ПСА) - оценка состояния и прогноз изменения химической обстановки на любых заданных расстояниях от химически-опасного объекта для всех временных этапов развития аварии, связанной с выбросом и сбросом хлорсодержащих растворителей в окружающую природную среду. Задача подсистемы генерации (ПСГ) - на основе данные о состоянии химической обстановки, а также существующих планов противоаварийного реагирования, подготовить набор возможных вариантов действий, способных снизить воздействие на население и окружающую среду аварийной ситуации (генерация решений) Формирование базы знаний о контрмерах. После того, как на основе первого этапа выработаны предложения или приняты решения о выполнении определенного набора действий, в базу данных экспертной системы, являющейся компонентой СППР, записываются условия, при которых могут быть выполнены эти действия и детали их выполнения в соответствии с создавшимися условиями. На основе этой информации экспертная система в соответствии с конкретной обстановкой, генерирует решение о порядке выполнения действий. Для решения уравнений массопереноса при заданных начальных и граничных условиях используют численные методы, а именно метод конечных элементов и метод конечных разностей [3]. В последнее время создано большое количество математических моделей, использующих эти методы. Исследователь имеет возможность получить ряд последовательных значений давления или напора грунтовых вод и концентрации в узлах пространственной сетки. Таким образом, на основе полученных результатов, может быть принято оптимальное решение. Формализованной моделью функционирования природно-технической системы будем называть комплекс: , где F,H - функции, отображающие структуру; L - множество переменных (параметров), характеризующих ее состояние; X- множество соотношений, отображающих взаимосвязи между этими переменными. Рассмотрим систему дифференциальных уравнений, описывающую перемещение химически активного состава в водоносных горизонтах. Если разложение происходит как в жидких, так и в твердых фазах то уравнение (1) примет вид: В настоящее время известно, что хлористые растворители могут увеличивать свою массу, путем разложения в реакциях с естественными анаэробными веществами. Процесс разложения может быть представлен следующим способом: PCE à TCE à DCE à VC àэтилен. Далее, некоторые полевые и лабораторные исследования показали, что описанная последовательность относиться к химическим реакциям первого порядка. Рассмотрим решение общей математической задачи, включающей перемещение четырех химически активных веществ, которые разлагаются последовательно, с переменным уровнем сорбции. Основные уравнения, описывающие перемещение с факторами промедления представлены ниже: Соответственно: где ci - концентрация разновидностей загрязнителя [ML-3]; ki - коэффициент разрушения i-го загрязнителя первого порядка [T-1]; Ri фактор промедления i-го вещества; v - скорость переноса загрязнителя [LT-1]; D - коэффициент дисперсии [L2T-1]; n - общее количество веществ, участвующих в реакции. В процессе трансформации загрязнителя непрерывно происходит процесс естественного ослабления загрязнения, поэтому для адекватного описания модели межсредовых переходов необходимо учесть и механизмы естественного ослабления загрязнителя При этом подходе, рассматривается поток грунтовой воды, а также известны концентрации загрязняющих примесей, с целью оценки их объема в зонах поперечных разрезов исследуемого облака загрязнения. Вследствие такого подхода можно дать адекватные оценки следующим критериям: потенциальное воздействие эффекта просачивания загрязнителя в подземные резервуары на качество воды; снижение массы загрязнителя с увеличением расстояния от источника; экономия расходов на устранение загрязнения, применяя альтернативные средства. Для получения оценки величины загрязнения в определенном временном интервале необходимо учитывать начальную концентрацию загрязнителя, а также распространение потока поперек направления течения. Оценка времени естественного ослабления загрязнения содержит значительную неопределенность, и прогнозировать можно только с некоторой степенью достоверности. В настоящей работе рассматриваются методы оценки загрязнения в различных областях потока. Построение модели осуществляется посредством оценки массового потока примеси в различных областях загрязненного участка, в определенный момент времени. Направление потока грунтовых вод и гидравлический градиент для каждого сегмента линии поперечного разреза могут быть определены из потенциометрической поверхностной топографической карты, составленной на основе измерений уровня грунтовых вод. Для адекватности оценки гидравлическая проводимость грунтовых слоев должна быть определена в нескольких точках. В двухмерном пространстве поперечный разрез представляет линию, пересекающую всю ширину "пера" загрязнения, перпендикулярную направлению потока грунтовой воды. Для однородных областей потока, поперечный разрез будет прямой линией, а в местах неоднородного потока, поперечный разрез будет иметь криволинейную форму. В трехмерном пространстве (многоуровневые контрольные колодцы забора проб), линия поперечного разреза представляет вертикальную плоскость через "перо" загрязнения грунтовых вод, перпендикулярную направлению массового потока. Полный поток массы загрязнителя может быть вычислен следующим образом: где w- полный массовый поток от источника (г/день), также называемый массовой разгрузкой Сi - концентрация примеси в области потока поперечного разреза qi - определенная разгрузка (также называемая скоростью Дарси) через область потока i (см/с). qi может быть рассчитана следующим образом: где К - гидравлическая проводимость (см/с) i - гидравлический градиент Аi - площадь, связанная с индивидуальным измерением (ft2) CF - конверсионный фактор равный 80,3 ((ft/см)/с/день L/ft3 g/mg) Выводы. Используя модель распространения загрязнения в грунтовых водах, можно определить концентрацию загрязнителя на определенном расстоянии от источника и в определенный момент времени. Таким образом, можно прогнозировать поведение хлора и хлорсодержащих примесей в естественной среде с учетом биодеградации.

About the authors

O P Peregudova

Voronezh State Medical University

Email: peregudova.op@gmail.com

L E Mehanteva

Voronezh State Medical University

Email: medkat@vsmaburdenko.ru

T P Sklyarova

Voronezh State Medical University

Email: medkat@vsmaburdenko.ru

G I Sapronov

Voronezh State Medical University

Email: medkat@vsmaburdenko.ru

References