Чисельне моделювання переносу забруднюючих речовин з використанням Hydrus та її спеціалізованих модулів

1 Вступ

Сучасне сільське господарство виробляє і використовує безпрецедентну кількість хімічних речовин для випуску продукції рослинного і тваринного походження. Широкий спектр пестицидів, добрив і фумігантів в теперішній час використовуються для регулярної обробки сільськогосподарських угідь, тим самим роблячи роботи у даній галузі одне з найбільших джерел особливо масштабного забруднення.¹ Крім того, солі і токсичні мікрочастинки стаються наслідками зрошення в посушливих і напівпосушливих районах. Хоча багато сільськогосподарських добрив є безпечними у верхніх шарах ґрунту, їх проникнення у нижчі шари та ґрунтові води може створювати екологічні проблеми. Таким чином необхідна правильна стратегія управління процесом, яка б запобігала поширенню забруднень у глибинні шари та ґрунтові води. Тваринництво сьогодні також все частіше використовує ряд лікарських препаратів і гормонів, багато з яких, поряд з патогенними мікроорганізмами, потрапляють в навколишнє середовище з відходами. Тваринні відходи і воду після прання часто застосовують на землях сільськогосподарського призначення. Виникають побоювання, що лікарські препарати і гормони, які потрапляють в середовище, сприяють збільшенню кількості випадків раку, розвитку стійких до антибіотиків бактерій, появі аномальних фізіологічних процесів, а також порушенню репродуктивної функції і збільшенню токсичності хімічних сумішей. В той час, як сільське господарство викликає в основному просторово-розподілені забруднення, аналогічні проблеми виникають від точкових джерел забруднення, таких, як місця збору відходів від промислових і комунальних об’єктів, сховища ядерних відходів, витоки підземних резервуарів, розливи хімікатів та багато інших джерел.^1–3

Потрапивши у навколишнє середовище з точкових або неточкових джерел забруднення шкідливі речовини відразу починають брати участь у великій кількості одночасних фізичних, хімічних і біологічних процесів, а саме адвективно-дисперсійного перенесення, сорбції/абсорбції, випаровування, конденсації, розчинення, комплексоутворення та біодеградації. В більшості прогнозних моделей, які використовуються у наш час, розглядається перенесення тільки одного хімічного ізотопу з припущенням, що інші, які також можуть знаходитись у ґрунті, не впливають на його поведінку. Насправді, ґрунтовий розчин завжди містить суміш багатьох іонів, які можуть взаємодіяти найрізноманітнішими способами, а також конкурувати за сприятливі для сорбції місця. ^4,5 Багато екологічних проблем вимагають аналізу взаємопересування і реакції декількох хімічних сполук. Сільськогосподарські задачі включають в себе оптимізацію методів використання добрив, а також утилізації сольових розчинів і натрієвих ґрунтів. ⁶ Не сільськогосподарські задачі включають в себе дослідження утворення кислот в системах водовідливу, перенесення радіонуклідів, аналіз окисно-відновних зон в органічно-забруднених водоносних горизонтах, видалення солоних вод, що утворюються при видобутку вугільного пласта або сланцевого газу. ^2,7,8 У наступних розділах будуть розглянуті деякі з таких складних проблем, які призводять до багатокомпонентного взаємопересування.

Велика кількість моделей різного ступеня складності і розмірності тепер здатні описати основні хімічні і фізичні процеси, які відбуваються з водою при переміщенні шкідливих речовин в надрах. Підходи до моделювання варіюються від відносно простих аналітичних та на пів аналітичних до складніших цифрових кодів, які дозволяють розглядати велику кількість одночасних нелінійних процесів. У той час як аналітичні та на пів аналітичні рішення, безсумнівно, залишаються популярними для відносно простих додатків,^9,10 розробка більш точних і чисельно стійких методів розв’язання разом зі зростаючою потужністю персональних комп’ютерів сприяють все більш широкому використанню числових моделей. Використання числових моделей значно поширюється завдяки їх наявності в державних і комерційних галузях, а також розробці складних інтерфейсів на графічній основі, що значно спрощують їх використання.

Програмний пакет HYDRUS 11 в даний час широко використовується для дослідження та аналізу поширення різних хімічних речовин в зоні між поверхнею ґрунту і ґрунтовими водами. Програмні коди також застосовні до процесів текучості та транспортування в насичених та напівнасичених системах. Причиною популярності моделей HYDRUS є реалізація в коді великого числа процесів та їх гнучкість, що дозволяє використовувати їх для вирішення сільськогосподарських, промислових і екологічних проблем, надає можливість розгляду зворотної проблеми, а також простота у використанні. У цій статті ми розглянемо розвиток різних версій HYDRUS, включаючи останні версії HYDRUS 1D та HYDRUS 2D/3D для одно- і багатовимірних задач, а також їх спеціалізовані модулі. Також коротко проаналізуємо обрані додатки.