Vliv podzemní těsnicí stěny na havarijní únik kontaminantu

Transkript

1 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, Brno, tel.: , petr.travnicek@mendelu.cz 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 Pro simulaci proudění byl vybrán standardně používaný matematický model MODFLOW 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 3- Dimensional 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

2 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 m 3. 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, k x,y,z = m s -1 b) Měrná storativita, S s = m -1 c) Množství čerpané vody ze studny za den, Q = 173 m 3, Pro matematickou simulaci bylo využito softwaru Visual MODFLOW Pro v Pro matematické modelování proudění byl použit MODFLOW Model šíření kontaminantu obsahuje pouze jednu vrstvu (akvifér), přičemž byl využit nejčastěji používaný matematický

3 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

4 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 [mg l -1 ] [mg l -1 ] 100 dní roky 4,2 0,9 5 let 1,3 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

5 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 stability svahů. [Online] [cit ] Dostupný na WWW: < [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 ] Dostupný na WWW: < > [4] FENG-RONG YANG, CHENG-HAW LEE, WEN-JUI KUNG, HSIN-FU YEH, (2009): The impact of tunneling construction on the hydrogeological environment of Tseng- Wen Reservoir Transbasin Diversion Project in Taiwan. Engineering Geology 103, [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, [6] TRÁVNÍČEK, P., JUNGA, P., VÍTĚZ, T., (2012): Modelování šíření kontaminantu v akviféru při havarijním úniku. In APROCHEM 2012, ISBN [7] FILIP, J., BOŽEK, F., KOTOVICOVÁ, J., (2003): Komunální odpad a skládkování. Mendelova univerzita v Brně, ISBN X.