Моделювання та прогнозування техногенного забруднення ґрунтів району відвалу фосфогіпсу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сумський державний університет

Моделювання та прогнозування техногенного забруднення ґрунтів району відвалу фосфогіпсу

Пляцук Л.Д., Трунова І.О., Васькін Р.А.

Проблема зберігання твердих відходів виробництва фосфорних добрив є багатогранною. Одним з найважливіших аспектів експлуатації відвалів є екологічний.

Незважаючи на гідроізоляцію днища відвалу, тривалий термін зберігання твердих відходів виробництва призводить до проникнення токсичних речовин у грунт і їх фільтрацію, формуючи з часом ареали забруднень. Указаний процес є складним як з фізичної точки зору, так і з точки зору його математичного моделювання, оскільки охоплює і поєднує в єдине ціле такі складні процеси, як фільтрація рідини, масоперенесення, дифузія. геохімічний токсичний фосфорний добриво

Незважаючи на велику кількість накопичених відходів техногенного походження, що містять важкі метали (Cd, Pb), і віднесення їх до першого класу небезпеки, дотепер практично відсутні методи прогнозування забруднення ними навколишнього середовища, моделювання процесів міграції солей на їх основі, існує дуже мало інформації про взаємодію цих сполук з навколишнім природним середовищем.

Найбільш ймовірною причиною цього є надзвичайно багата хімія сполук, що можуть знаходитися в різних поліморфних формах залежно від складу водного розчину або присутності різних оксидів у твердій фазі. У даний час експериментально вивчені міграційні форми мікроелементів у ґрунтових розчинах і природних водах, токсичність кадмію та свинцю для людини і живих організмів, вивчені причини міграції. Однак дотепер залишаються невивченими міграції важких металів в геохімічному ландшафті.

Мета роботи. Побудова ефективної математичної моделі, що встановлює функціональну залежність умісту будь-якого мігранта в геохімічному ландшафті та вивчення закономірностей міграції токсичних сполук у грунти району відвалу твердого відходу виробництва фосфорних добрив (фосфогіпсу). При цьому просторові координати фіксуються з точністю до розміру однієї елементарної фації ландшафту (ЕФЛ), а час - до одного елементарного інтервалу. Як параметри в рівняннях фігурують величини, що характеризують міграційну структуру ландшафту й індивідуальні особливості міграції даної речовини в даному середовищі. Вони визначаються на підставі достовірних даних про вміст і розподіл мігрантів у реальних ландшафтах, тобто картини, що склалася в результаті повторення багатьох міграційних циклів.

Матеріал і результати дослідження. При побудові моделі використовувалися основні положення геохімії ландшафту за Полиновим. Елементом системи є «елементарний ландшафт», а функція -- міграція речовин.

Ландшафтно-геохімічний метод спирається на чотири загальні принципи:

1. Принцип макроструктурності геохімічних ландшафтів. Просторово-тимчасова періодичність ландшафтно-геохімічних процесів, в основі яких лежить циклічність міграції, універсальна. Просторова неоднорідність розподілу мігрантів має ритмічний характер (комплексність, плямистість).

2. Геохімічна специфічність процесів міграції. Фізичний зміст параметрів, що входять у рівняння геохімічної міграції, не може повністю ототожнюватися з фізичним змістом механічних або фізико-хімічних форм руху.

3. Принцип стійкості геохімічних параметрів макропроцесів міграції викладається в передбачуваній стійкості в часі параметрів міграційних макроструктур (основного міграційного циклу та ландшафтно-геохімічного потоку) і параметрів рухомості залежних мігрантів при даному типі міграційної структури.

Зміна сумарного припливу мігранта в ЕФЛ (?В_а), за рідкісним винятком, значно менше, ніж наявний запас його в ЕФЛ (S_a), тобто . Це дозволяє приймати гіпотезу стійкості, тобто незалежності «стану» ЕФЛ від швидкості потоків.

4. Принцип геохімічної специфічності мігрантів. Через те, що міграція в цілому є результатом впливу на мігруючу речовину різноманітних сил, що діють спільно або в певній послідовності, жодна речовина апріорі не може вважатися повним геохімічним аналогом іншої.

Викладені принципи при розробці методів експериментального визначення геохімічних параметрів дають підстави для вирішення зворотних задач, тобто розрахунок за допомогою рівнянь, у які вводяться дані вмісту та розподілу мігрантів у реальних геохімічних ландшафтах у результаті природного процесу.

Розроблювальна структурно-функціональна модель ландшафту спирається на припущення:

- геохімічна структура ландшафту визначається його міграційною структурою, тобто водно-повітряною і біологічною міграцією;

- мова йде тільки про ландшафти зі стійкою міграційною структурою. Це не означає постійність вмісту і розподілу в подібних ландшафтах залежних мігрантів.

Фізико-хімічні і біологічні явища, які складають сутність цих процесів, досить складні. Можна, однак, дати узагальнений усереднений опис міграції, тобто такий, у якому межею аналізу просторово-тимчасової локалізації мігранта є його середня концентрація в ЕФЛ за елементарний інтервал часу. Тим самим вся фактична розмаїтість міграційних процесів зводиться до приходу і витрат мігранта в ЕФЛ і перехід його від однієї ЕФЛ до іншої, тобто балансу мігранта в рамках ЕФЛ.

Усе, що виходить за рамки подібного балансу, належить до категорії «стану» мігранта в ЕФЛ, розглянутого як експериментально установлюваний факт.

Розглянемо спочатку просту модель накопичення токсичного елемента в ізольованій ЕФЛ, що залежить від зміни запасу цього елемента в ЕФЛ:

(1)

де ДS(t) -- збільшення запасу елемента за деякий малий відрізок часу Дt, що триває від моменту t до моменту (t + Дt); ДВ(t) і ДD(t) -- відповідно приплив і відтік елемента за той самий відрізок часу t.

(2)

де М -- обсяг розчину; Дс(t) -- збільшення мінералізації (с) розчину;

Приплив елементів ДВ(t) може здійснюватися за рахунок складування твердих відходів та природних процесів, що відбуваються навколо відвалу. Відтік елемента у прошарках ґрунту та фосфогіпсу залежить від пористості ґрунту (І), тобто ДD(t) ~ І.

Позначимо як суму всіх складових водного припливу, -- величину середньозваженої їх мінералізації. Тоді величина сольового припливу буде мати вираз:

(3)

де Р - сума всіх складових водного припливу; - величина середньозваженої мінералізації складових водного припливу.

Величина сольового стоку:

(4)

де Q - сума всіх складових водного сольового стоку; q -- мінералізація складових водного стоку з ЕФЛ по різних каналах ландшафтно-геохімічногопотоку (ЛГП).

Мінералізація елемента ґрунтового стоку q перебуває в прямій залежності від середньозваженої концентрації цього компонента в розчинах ЕФЛ:

(5)

Стійкість параметра г є результатом динамічної рівноваги, яка встановлюється в процесі обміну всередині ЕФЛ.

Нагромадження токсичного елемента як мігранта описує лінійне диференціальне рівняння:

.(6)

Виходячи зі стійкості міграційної структури геохімічного ландшафту і сталості зовнішніх умов, зокрема хімізму складового припливу, параметри Р, І, Q, М і можна розглядати як постійні величини.

При стаціонарному режимі елемента (а) у ЕФЛ приплив В_a відрізняється від значення сольового відтоку D_а тільки на величину m_а, тобто m_а = В_а - D_а:

(7)

Розв`язання рівняння (7) дає можливість розрахувати міграцію елемента незалежно від величини та природи його рухливості, а також визначити повний середній склад міграційної середи і знайти m_а як функцію часу. Знання останньої дасть змогу розрахувати режим накопичення мігранта а у твердій фазі:

(9)

При розгляді процесу накопичення солей у геохімічному ландшафті, на відміну від одиничної ЕФЛ, варто враховувати вплив попередніх за ходом ЛГП частин ландшафту на наступні.

Сольовий приплив складається з припливу солей безпосередньо в ЕФЛ з річковою водою ?B₁(k,t) і з ґрунтовою водою з попередньої ЕФЛ ?B₂(k,t), тобто ?B(k,t)= ?B₁(k,t)+ ?B₂(k,t):

(10)

де , v_k -- числовий коефіцієнт, що характеризує довжину k-ї ЕФЛ; ?l -- елементарний просторовий інтервал.

Другий додаток припливу є одночасно сольовим стоком з попередньої ЕФЛ:

(11)

Сольовий стік дорівнює

(12)

де w(k) - швидкість ґрунтового стоку; q(k, t) -- його концентрація.

У випадку відкритого ЛГП у фацію попадає не весь сольовий стік, тому що деяка його частина видаляється за межі геохімічного ландшафту:

(13)

де в -- величина, що залежить від міграційного зв'язку даної ЕФЛ у ЛГП і від концентрації елемента-мігранта в ній.

(14)

де о -- деяка внутрішня точка відрізка [t, t+?t], тобто t < о < t+?t.

З урахуванням рівнянь (10) - (13), міграція елемента буде дорівнювати

(15)

У лівій частині рівняння (15) перший член являє собою зміну в часі концентрації мігранта у фіксованій ЕФЛ. Другий член означає «миттєве», тобто стосовно до того самого моменту часу зміну швидкості сольового стоку (D) уздовж ЛГП, віднесене до одиниці поперечного перерізу ЛГП. Права частина рівняння являє собою різницю всіх припливів, що надходять ззовні безпосередньо в ЕФЛ і відтоків з ЕФЛ за границю геохімічного ландшафту, розраховану також на одиницю перерізу ЛГП.

Розроблена математична модель встановлює функціональну залежність вмісту досліджувального мігранта в геохімічному ландшафті від просторових координат і часу, а розмаїття міграційних процесів зводиться до надходження і витрат мігранта в ЕФЛ і перехід його від однієї ЕФЛ до іншої, тобто балансу мігранта в рамках ЕФЛ.

Джерелом техногенного забруднення, у нашому випадку, є площа дна діючого спеціалізованого відвалу фосфогіпсу виробництва фосфорних добрив ОАО „Сумихімпром”.

У процесі проведення дослідів був перевірений вміст шкідливих компонентів, таких, як кадмій і свинець, що в процесі тривалого зберігання на відкритих площах відвалів твердих відходів можуть мігрувати з фосфогіпсу в ґрунт і, таким чином, впливати на екологічний стан навколишнього середовища.

При вивченні нагромадження та міграції важких металів по профілю сірого лісового ґрунту та фосфогіпсу було встановлено зв`язок між величинами, отриманими дослідним шляхом, та результатами рішення математичної моделі (рис. 1 - 4).

Рисунок 1. Результати математичної моделі залежності розподілу валового вмісту свинцю від глибини ґрунту на відстані 50 м від відвалу фосфогіпсу

Рисунок 2. Результати математичної моделі залежності розподілу валового вмісту кадмію від глибини ґрунту на відстані 50 м від відвалу фосфогіпсу

Розглядаючи розподіл валового вмісту важких металів вниз по профілю сірого лісового ґрунту, можна сказати, що найбільший вміст досліджуваних елементів зосереджений у гумусовому та ілювіальному горизонтах, де концентрація елементів більша за фонову, що показує антропогенне навантаження токсичними металами ґрунтів району відвалу фосфогіпсу.

Вміст свинцю та кадмію у пробах фосфогіпсу спеціалізованого відвалу, що досліджувався, має також тенденцію до зменшення по глибині розрізів. Це можна пояснити тим, що при складанні твердого відходу на різних глибинах фосфогіпс мав у своєму складі важкі метали, хоча і в малих кількостях.

Рисунок 3. Результати математичної моделі залежності розподілу валового вмісту свинцю від глибини фосфогіпсу

Рисунок 4. Результати математичної моделі залежності розподілу валового вмісту кадмію від глибини фосфогіпсу

Коефіцієнти кореляції кадмію та свинцю знаходяться в межах 0,75 - 0,83.

За допомогою регресійного аналізу було встановлено форму залежності між глибиною міграції важких металів (Cd, Pb) вниз по профілю ґрунту та фосфогіпсу та режимом накопичення мігрантів у твердій фазі. Така залежність визначається математичною моделлю - рівнянням регресії з невідомими параметрами методом сіток.

Для визначення тісноти зв`язку між глибиною міграції та накопиченням кадмію або свинцю проведено кореляційний аналіз. За міру зв`язку брався коефіцієнт кореляції, який обчислювався на основі вибірки пар значень (h, s) обсягу отриманих лабораторних даних.

Проведений регресійно-кореляційний аналіз свідчить про те, що між накопиченням важких металів за профілем ґрунту та фосфогіпсу за даними розрахунку математичної моделі та експериментальним аналізом спостерігався тісний кореляційний зв`язок, особливо для фосфогіпсу (0,79 - 0,95). Найвищий коефіцієнт спостерігався по кадмію (0,95). По свинцю для сірого лісового ґрунту він знаходився на середньому рівні - 0,67.

Висновки

Представлена математична модель встановлює функціональну залежність вмісту будь-якого мігранта у геохімічному ландшафті та у відвалах твердих відходів.

Размещено на Allbest.ru