Vliv podzemní těsnicí stěny na havarijní únik kontaminantu Ing. Petr Trávníček, Ph.D., Ing. Petr Junga, Ph.D. Mendelova univerzita v Brně, Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky, Zemědělská 1, 613 00 Brno, tel.: +420 545 132 374, e-mail:
[email protected]
Abstrakt Cílem příspěvku je porovnat šíření kontaminačního mraku v případě, že ve výrobním areálu s aktivními prvky hydraulické clony, kde došlo k havárii, je umístěna podzemní těsnicí stěna s případem, kdy tato podzemní těsnicí stěna v areálu umístěna není. Pro účel příspěvku bylo využito konzervativního přístupu při výpočtu šíření kontaminačního mraku. Pro simulaci bylo využito softwaru Visual MODFLOW Pro v. 2011. Pro simulaci proudění byl vybrán standardně používaný matematický model MODFLOW-2005. Následně pro numerickou simulaci šíření kontaminantu v prostředí byl vybrán matematický model MT3DMS. Klíčová slova: podzemní těsnicí stěna, Visual MODFLOW Pro, havárie, ropné látky
Úvod Visual MODFLOW je software, který se hojně používá pro numerickou simulaci trojrozměrného proudění podzemních vod a šíření kontaminantu v nich. Jednou z aplikací tohoto softwaru je i výpočet šíření kontaminantu v podzemních vodách v případě prevence havárie [4], [5]. Tento software využívá několika matematických modelů, které již byly popsány v předchozí práci [6]. Matematické modely využívané v softwaru Visual MODFLOW pro popis proudění v zrnitém prostředí jsou třídimenzionální matematické modely, které jsou založeny na metodě konečných diferencí. Podstatou metody konečných diferencí je pokrytí oblasti, v níž hledáme řešení diferenciální rovnice, sítí, která se skládá z konečného počtu uzlových bodů. V každém bodě sítě se nahradí derivace v těchto uzlových bodech příslušnými diferencemi, tj. lineárními kombinacemi funkčních hodnot v okolních bodech. V závislosti na tom, zda volíme diference dopředné či zpětné, dostáváme různé typy metody sítí (metody explicitní, implicitní). Po záměně derivací diferencemi ve všech uzlových bodech dostáváme soustavu lineárních algebraických rovnic s neznámými hodnotami posunů v těchto uzlových bodech [1]. Tento způsob diskretizace kontinua se ukázal jako vhodný pro simulaci proudění v podzemních vodách. Matematické modely popisující samotné šíření kontaminantu v podzemních vodách byly taktéž popsané v předchozí práci [6]. Mezi nejpoužívanější matematické modely patří matematický model MT3DMS. Matematické modely tohoto typu (MT3D – Modular 3Dimensional Transport model) využívají smíšený Eulerův-Langrangeův přístup nebo metodu konečných diferencí k výpočtu rovnice zahrnující transportní jevy, disperzi a chemickou reakci. Tento model je založen na modulární struktuře, která umožňuje simulaci jednotlivých transportních složek [2]. Na volbě vhodného matematického modelu závisí relevantnost vypočtených výsledků a následně také vhodný výběr opatření pro zabránění dalšího šíření kontaminantu v akviféru [6]. Mezi tyto opatření poté může patřit například hydraulická clona nebo tzv. milánská stěna. Milánská stěna je podzemní stěna, která se využívá pro různé
aplikace. Ve stavebnictví se využívá například pro zajištění stavební jam nebo tvoří obvodové zdi podzemních staveb. Avšak milánská stěna se společně s hydraulickou clonou využívá i pro sanaci starých zátěží [7]. Cílem příspěvku je pomocí softwaru MODFLOW porovnat a vyhodnotit dvě situace. První situace předpokládá únik ropných látek ve výrobním areálu, kde jsou umístěny aktivní prvky hydraulické clony. Další případ předpokládá totožný areál s totožnými aktivními prvky, ale s instalovanou podzemní těsnicí stěnou.
Materiál a metodika Pro účel odborného článku byla vybrána fiktivní případová studie, kde z prostoru průmyslové výroby nekontrolovatelně unikly ropné látky v koncentraci 5000 mg·l-1 a v množství 10 m3. Plán modelové situace je uveden na Obr. 1. Rozměr plánu je přibližně 1000 m v ose x a přibližně 1000 m v ose y. Terén je rovinatý. V oblasti se nachází řeka.
Řeka
Zdroj rizika
Studna Podzemní stěna
Obr. 1: Plán modelové situace
Byly definovány následující základní okrajové podmínky: a) Propustnost podloží, kx,y,z = 1 · 10-5 m·s-1 b) Měrná storativita, Ss = 1 · 10-5 m-1 c) Množství čerpané vody ze studny za den, Q = 173 m3,
Pro matematickou simulaci bylo využito softwaru Visual MODFLOW Pro v. 2011. Pro matematické modelování proudění byl použit MODFLOW-2005. Model šíření kontaminantu obsahuje pouze jednu vrstvu (akvifér), přičemž byl využit nejčastěji používaný matematický
model MT3DMS. Pro účely odborné práce bylo využito schéma pro diskretizaci kontinua s názvem „Central Finite Difference“.
Výsledky a diskuze Na Obr. 2, 4 a 6 jsou uvedeny grafické výstupy ze softwaru Visual MODFLOW, které zobrazují šíření kontaminačního mraku po dobu 100 dní, 2 let a 5 let a to ve výrobním areálu bez podzemní těsnicí stěny a ve výrobním areálu s podzemní těsnicí stěnou. Již z Obr. 2 je patrný rozdíl mezi oběma kontaminačními mraky, kdy v případě podzemní těsnicí stěny byly narušeny hydrogeologické poměry v areálu a tím i zpomalení šíření kontaminačního mraku.
Obr. 2: Šíření kontaminačního mraku v akviféru v areálu bez podzemní těsnicí stěny (vlevo) a s podzemní těsnicí stěnou (vpravo) po dobu 100 dní
Obr. 3: Šíření kontaminačního mraku v akviféru v areálu bez podzemní těsnicí stěny (vlevo) a s podzemní těsnicí stěnou (vpravo) po dobu 2 let
Obr. 4: Šíření kontaminačního mraku v akviféru v areálu bez podzemní těsnicí stěny (vlevo) a s podzemní těsnicí stěnou (vpravo) po dobu 5 let
Z Obr. 5 je patrné, že v případě, kde není v areálu instalována podzemní těsnicí stěna, již během dvou let kontaminační mrak dosáhne řeky. Naproti tomu v případě areálu s instalovanou podzemní těsnicí stěnou tato doba byla na základě matematického modelování odhadnuta na pět let (viz Obr. 5). Koncentrace kontaminantu jsou však rozdílné. V Tab. 1 jsou zobrazeny nejvyšší dosažené koncentrace kontaminantu v různých časových intervalech. Z této tabulky je patrné, že nejvyšší koncentrace bylo dosaženo během 100 dní v případě, že v areálu nebyla umístěna podzemní těsnicí stěna. V případě, kdy by v areálu tato stěna umístěna byla, tato koncentrace je více jak třikrát nižší. Naproti tomu nejnižší koncentrace kontaminantu je po pěti letech v areálu s podzemní těsnicí stěnou a je přibližně dvacetkrát nižší než v případě, kdy tato stěna v areálu umístěna není. Je zde tedy znát velmi výrazný vliv podzemní těsnicí stěny, která tak umožňuje hydraulické cloně zvýšit její efektivitu a zabránit tak postupu kontaminačního mraku do blízkého recipientu.
Tab. 1: Vypočtené hodnoty koncentrací kontaminantu Doba šíření kontaminantu
Areál bez podzemní těsnicí stěny Nejvyšší koncentrace
Areál s podzemní těsnicí istěnou Nejvyšší koncentrace
100 dní 2 roky 5 let
[mg⋅l-1] 23 4,2 1,3
[mg⋅l-1] 7 0,9 0,06
Závěr Cílem práce bylo porovnat a zhodnotit transport kontaminantu ve zvodnělém prostředí (akviféru) v případě, že v areálu v němž došlo k havárii, je vystavěna společně s hydraulickou clonou podzemní těsnicí stěna s případem, kdy tato stěna vystavěna není. Výsledky práce lze shrnout do několika bodů. Zaprvé z výstupů matematického modelování lze vyvodit, že
těsnicí stěna zpomaluje postup kontaminačního mraku. Zadruhé je zjevné, že po instalaci podzemní těsnicí stěny se do blízkého recipientu dostane méně kontaminantu než v případě, kdy podzemní těsnicí stěna není instalována. To je způsobeno tím, že zpomalením postupu kontaminačního mraku se skrze hydraulickou clonu odčerpá více kontaminantu. Z toho plyne třetí bod, kde podzemní těsnicí stěna vlivem tohoto efektu může zvýšit účinek hydraulické clony. Z povahy matematického modelování je nutno všechny hodnotové výstupy však chápat jako přibližné.
Použitá literatura [1]
MARSCHALKO, M., MULLEROVÁ, J., IDES, D.: Svahové deformace – Modelování [Online] [cit. 2012-04-03] Dostupný na WWW: stability svahů.
[2]
Visual MODFLOW Professional Edition, User’s Manual. Waterloo hydrogeologic.
[3]
APPELO, C. A. J., ROLLE, M.: PHT3D: A Reactive Multicomponent Transport Model for Saturated Porous Media. [Online] [cit. 2012-04-03] Dostupný na WWW: < http://appt.home.xs4all.nl/pub/ap_gw10.pdf >
[4]
FENG-RONG YANG, CHENG-HAW LEE, WEN-JUI KUNG, HSIN-FU YEH, (2009): The impact of tunneling construction on the hydrogeological environment of “TsengWen Reservoir Transbasin Diversion Project” in Taiwan. Engineering Geology 103, 39– 58.
[5]
BRYANT, D. L., ABKOWITZ, M. D., (2007): Development of a terrestrial chemical spill management system. Journal of Hazardous Materials, Volume 147, Issues 1–2, 78– 90.
[6]
TRÁVNÍČEK, P., JUNGA, P., VÍTĚZ, T., (2012): Modelování šíření kontaminantu v akviféru při havarijním úniku. In APROCHEM 2012, 275–281. ISBN 978-80-02-023760.
[7]
FILIP, J., BOŽEK, F., KOTOVICOVÁ, J., (2003): Komunální odpad a skládkování. Mendelova univerzita v Brně, 100–101. ISBN 80-7157-712-X.
