Forecast of groundwater pollution in the Dubna landfill area by groundwater flow and transport modelling

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Методы математического моделирования процессов геофильтрацици и геомиграции для решения задачи оценки влияния свалок на загрязнение подземных вод используются достаточно давно. Наиболее полная информация о стадийности изучения загрязнения подземных вод в районах полигонов ТКО (начиная с характеристик отходов, о химических и биохимических процессах в свалочном теле, трансформации химического состава подземных вод на всех стадия существования свалки и заканчивая прогнозами загрязнения и разработкой инженерных сооружений по их защите на основе численного моделирования) приводится в опубликованном в 2007 г. в Великобритании исследовании [9]. Как правило, при прогнозах загрязнения подземных вод рассчитывают перенос консервативного компонента – хлорид-иона, содержащегося в фильтрате и поступающего на уровень подземных вод (УПВ) под свалочным телом. [1, 3, 6, 9, 15, 17, 18]. При этом используют вычислительные комплексы, содержащие модули для расчета напоров подземных вод MODFLOW, скоростей и траектории движения частиц MODPATH и концентраций загрязняющих веществ MT3DMS [10, 12, 14]. Эти же вычислительные средства применяются при прогнозе распространения в подземных водах в районах свалок свинца [4], мышьяка [2], хрома [7], сульфат-иона [8], фосфора [13], ртути и аммония [16]. Наиболее современные данные о вычислительных средствах, применяемых для прогноза миграции в подземных водах широкого спектра органических соединений, в том числе характерных для свалок, приводится в опубликованном в 2021 г. обзоре [11]. Моделирование защитных мероприятий при угрозе загрязнении подземных вод в районе свалок, особенно при расположении рядом водозаборных скважин, включает рассмотрение сценариев нарушения свойств подстилающего изолирующего слоя, вариантов организации дренажа и расчет его параметров, противофильтрационной стены и сорбционного проницаемого барьера [5, 12, 14, 16].

Представленные результаты являются продолжением исследований по оценке влияния полигона ТКО в г. Дубна на загрязнение подземных вод. На первом этапе были выполнены расчеты водного и солевого баланса свалочного тела и оценены интенсивность инфильтрации и концентрации хлорид-иона, поступающие на уровень подземных вод под свалочным телом в период эксплуатации полигона и после его рекультивации. Результаты расчетов показали, что наблюдаемые в подземных водах на конец 30-летнего периода эксплуатации полигона концентрации Cl^– от 2800 до 3500 мг/л формируются при интенсивности инфильтрации в диапазоне 170–390 мм/год и его концентрации в инфильтрационном питании в диапазоне 3000–3500 мг/л. Было показано, что даже через 40 лет после рекультивации с инфильтрацией на уровень подземных вод может поступать более 2000 мг/л хлорид-иона. Снижение концентраций до фоновых значений в подземных водах (34 мг/л) может занять от 50 до 100 и более лет. Полученные на первом этапе исследований результаты использованы при задании граничных условий в геофильтрационной и геомиграционной моделях. Для моделирования использован расчетный комплекс Visual Modflow [19]. Предложенный подход к прогнозу загрязнения подземных вод в районах свалок является оригинальным и отличается от опубликованных ранее.

РАЗРАБОТКА ГЕОФИЛЬТРАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Полигон ТКО в г. Дубна находится в междуречье рек Волга, Дубна, Сестра и канала им. Москвы (рис. 1). Инженерно-геологические изыскания, выполненные перед началом рекультивации свалки, показали, что в геологическом строении территории полигона до исследованной глубины 40 м принимают участие верхне-, среднечетвертичные аллювиально-флювиогляциальные и среднечетвертичные моренные отложения, перекрытые сверху насыпными (техногенными) грунтами и почвенно-растительным слоем: ИГЭ 1 – насыпные техногенные грунты (ИГЭ 1) с переслаиванием через 5 м слоем глинистого грунта (изолирующий слой) толщиной до 0.6 м (ИГЭ 1а, tQ_IV); ИГЭ 2 – суглинок тугопластичный (afQ_II–_III); ИГЭ 3 – песок пылеватый, средней плотности (afQ_II–_III); ИГЭ 4 – суглинок полутвердый (gQ_II).

Рис. 1. Ситуационный план: a – схема; б – спутник.

Общая мощность четвертичных отложений около 20 м. Максимальная мощность свалочного тела 21 м. Коренные отложения до глубины 40 м не вскрыты (по литературным источникам, они представлены среднеюрскими глинами келловейского яруса мощностью порядка 13–15 м (J_2k), под которыми залегают верхнекаменноугольные известняки (С₃)).

Гидрогеологические условия характеризуются наличием безнапорного водоносного горизонта, приуроченного к верхнечетвертичным техногенным (насыпным) и средне-верхнечетвертичным аллювиально-флювиогляциальным отложениям. Питание подземных вод инфильтрационное, разгрузка происходит в р. Волга и ее притоки: Дубна, Сестра, Черная. Водоносный горизонт отделен от залегающего ниже верхнекаменноугольного артезианского водоносного горизонта слабопроницаемыми моренными суглинками и толщей слабопроницаемых юрских глин значительной мощности, что предполагает его хорошую защищенность от загрязнения.

По данным изысканий в 2019 г., концентрации хлорид-иона в водоносном горизонте под свалочным телом, где его мощность 17 м, составляют 2836 мг/л (скв. 2). На периферии мощность свалочного тела сокращается до 2.7–4.4 м, а концентрация хлорид-иона увеличивается до 3119–3403 мг/л. В поверхностных водах (р. Черная) концентрация хлорид-иона 194 мг/л, в колодце на территории садового товарищества, расположенного в 200 м юго-восточнее свалки – 34 мг/л. Последнее значение можно считать фоновым для подземных вод на окружающей территории.

Прогноз загрязнения подземных вод в районе полигона в Дубне был выполнен для двух возможных сценариев распространения загрязнения в подземных водах. Первый сценарий учитывал возможность проникновения загрязнения в артезианский водоносный горизонт в результате перетекания через слабопроницаемые моренные суглинки и юрские глины. Необходимость такого прогноза обусловлена тем, что водоносные горизонты в каменноугольных известняках являются источниками питьевого водоснабжения на территории Подмосковья. Во втором сценарии реализованы условия максимального распространения загрязнения в четвертичном водоносном горизонте, подземные воды которого используются в находящемся поблизости дачном поселке.

Геофильтрационная схематизация гидрогеологических условий для реализации первого сценария выглядит следующим образом. Рассматривается стационарный пространственный поток в двухслойной системе: плановый в водоносном пласте в аллювиально-флювиогляциальных песках и вертикальный в слабопроницаемом пласте в моренных суглинках (рис. 2). Размеры расчетной области в плане составили 7 × 6 км. В качестве естественных внешних и внутренних границ потока задавались водотоки (рис. 3). Взаимодействие подземных и поверхностных вод реализовывалось заданием граничного условия (ГУ) III рода при помощи модуля River. На севере моделируемая область была обрезана по линии тока, на юге ограничена по линии равного напора 117 м в абсолютных отметках, на которой было задано ГУ III рода, позволяющее при помощи расчетного модуля GHB реализовывать выходящий из расчетной области расход подземных вод. Таким образом, границы области фильтрации находятся на большом удалении от полигона и не будут существенно влиять на распределения напоров и концентраций вблизи полигона. Размеры расчетных блоков на территории свалочного тела 10 × 10 м, а за пределами полигона составили 50 × 50 м. Общее количество блоков 175(X) × 113(Y). По вертикали модель ограничена по подошве слабопроницаемых суглинков мощностью 20 м. Перетекание реализовано заданием ГУ III рода на подошве второго пласта при помощи модуля GHB. Инфильтрационное питание на верхней границе водоносного пласта при помощи модуля Recharge задавалось разным внутри трех зон (две внутри полигона и одна за его пределами). На верхней границе потока также задавалось испарение, так как местность заболочена.

Рис. 2. Гидрогеологический разрез с элементами фильтрационной схемы по вертикали.

Рис. 3. Расчетная область модели: 1 – полигон ТБО; 2 – водотоки; границы: 3 – южная; 4 – северная.

Калибрация геофильтрационной модели осуществлялась по данным об уровнях подземных вод в скважинах, пробуренных при инженерно-геологических изысканиях на полигоне. Расположение скважин и зон инфильтрационного питания показано на рис. 4. Полученное распределение напоров в первом пласте показано на рис. 5, максимальное расхождение модельных и наблюдаемых уровней подземных вод на полигоне в табл. 1, подобранные значения при калибрации параметров модели в табл. 2, баланс в табл. 3.

Рис. 4. Зоны инфильтрационного питания (мм/год): 1 – 390; 2 – 100; 3 – 60, 4 – скважина и ее номер.

Рис. 5. Расчетные линии равного напора подземных вод в первом пласте, м.

Таблица 1. Сравнение наблюденных и расчетных уровней подземных вод

Таблица 2. Параметры модели, полученные в результате калибрации модели

Таблица 3. Баланс расчетной области

Подземные воды формируются за счет инфильтрации и разгружаются преимущественно в водоемы. Перетекание через моренные суглинки в каменноугольные водоносные горизонты затруднено, расход перетекания примерно втрое меньше расхода разгрузки в реки (см. табл. 3).

На основе полученных значений напора подземных вод при помощи программы MODPATH были рассчитаны векторы скорости фильтрации, показывающие направление движения подземных вод (рис. 6), траектории движения загрязняющих веществ от границ полигона (рис. 7), направление переноса загрязнения от полигона и траектории поступления подземных вод к каждой наблюдательной скважине, которые показывают откуда могут поступать загрязняющие вещества c подземными водами (рис. 8). От водораздела в сторону полигона поступают чистые подземные воды, а основное направление сноса загрязнения от полигона на восток в сторону садового товарищества и р. Дубна (см. рис. 6, 7).

Рис. 6. Направление движения подземных вод в расчетной области.

Рис. 7. Траектории движения загрязняющих веществ от границ полигона.

Ко всем скважинам поступают загрязненные воды, которые формируются под свалочным телом (рис. 8). К колодцу в стороне от полигона загрязненные воды не поступают. К скважинам, расположенным с западной стороны, происходит максимальный приток чистых вод, разбавляющих загрязненные.

Рис. 8. Траектории поступления подземных вод к наблюдательным скважинам и колодцу.

РАЗРАБОТКА ГЕОМИГРАЦИОННОЙ МОДЕЛИ

Разработанная геофильтрационная модель на этапе прогноза загрязнения подземных вод была использована для калибрации миграционной модели. Калибровочными критериями являлись концентрации Cl^– в подземных водах на конец 30-летнего периода существования полигона. В результате были подобраны такие значения интенсивности инфильтрации и концентрации хлорид-иона в инфильтрационном питании, при которых рассчитанные концентрации Cl^– в подземных водах совпали с наблюдаемыми (рис. 9). Интенсивность инфильтрации составила 390 мм/год на территории всего полигона, концентрация Cl^– в инфильтрационном питании 5000 мг/л. Высокие значения параметров косвенно указывают на то, что в реальных условиях количество влаги, поступающей на УПВ под свалочным телом, и концентрация загрязняющих веществ в ней могут существенно превышать значения, полученные при расчетах водного баланса свалочного тела. Принятые в расчетах значения миграционных параметров показаны в табл. 4.

Рис. 9. Изолинии концентрации хлорид-иона в первом пласте на конец 30-летнего периода, мг/л.

Таблица 4. Миграционные параметры

Модель была использована для прогноза распространения хлорид-иона в подземных водах после рекультивации полигона, когда на УПВ поступает характерное для естественных условий в данной климатической зоне инфильтрационное питание, т. е. 60 мм/год. Долговременное поступление хлорид-иона с инфильтрацией после рекультивации свалочного тела в этом варианте не учитывалось, концентрация хлорид-иона в инфильтрате после закрытия полигона задавалась равной фоновой, чтобы избежать эффекта длительного разбавления. Длительность прогноза составила 100 лет. Результаты прогноза показали, что через 10 лет после закрытия полигона область загрязнения сместится ниже по потоку подземных вод, концентрации хлорид-иона в подземных водах практически под всей территорией свалки будут менее 40 мг/л. Максимальные концентрации хлорид-иона в подземных водах будут менее 200 мг/л, что ниже ПДК 350 мг/л (рис. 10). Через 50 лет концентрация Cl^– в районе полигона будет составлять 40–50 мг/л, т. е. незначительно превышать фоновые значения.

Рис. 10. Изолинии концентрации хлорид-иона в первом пласте через 10 лет после рекультивации свалочного тела, мг/л.

Наиболее эффективным способом локализации загрязнения подземных вод в районе полигонов ТКО является организация дренажа, перехватывающего загрязнение. Расчеты показали, что дренаж по периметру полигона в Дубне с проводимостью дрен от 0.001 до 50 м²/cут обеспечит расчетный приток к дренам 354 м³/cут и полностью перехватит загрязненные подземные воды.

ЛОКАЛЬНЫЕ ГЕОФИЛЬТРАЦИОННАЯ И ГЕОМИГРАЦИОННАЯ МОДЕЛИ

Прогноз загрязнения подземных вод хлорид-ионом в районе полигона, в том случае, когда расчетная область фильтрации занимает все Волго-Дубнинское-Сестринское междуречье (“большая” модель), показал, что загрязнение подземных вод локализуется в районе полигона и не распространяется на большое расстояние за счет разбавления загрязненных вод чистыми, поступающими с водораздела. Поток грунтового водоносного горизонта преимущественно латеральный и направлен в сторону р. Дубна.

Для прогноза максимального распространения загрязнения от полигона в четвертичном водоносном горизонте была разработана геофильтрационная модель в пределах локального водосборного бассейна (“локальная” модель), в которой не учитывались разбавление и перетекание вод вниз через слабопроницаемые отложения, но заданы дополнительные внутренние границы потока – сеть дренажных канав на пойменном расширении р. Дубна, организованных в более ранний период для осушения территории. Кроме того, при прогнозе загрязнения подземных вод хлорид-ионом учитывалось долговременное его поступление с инфильтрацией после рекультивации полигона.

Основываясь на допущении, что водоразделы поверхностного и подземного потоков в грунтовом водоносном горизонте совпадают, для определения границ локальной геофильтрационной модели сначала был выделен локальный водосборный бассейн поверхностного стока, в который попадает полигон ТКО. Для этой цели использовалась цифровая модель рельефа Alos30, к которой был применен алгоритм Watershead картографической программы Surfer (рис. 11).

Рис. 11. Водосборные участки Волго-Дубнинско-Сестринского междуречья и область моделирования: 1 – полигон ТКО; 2 – границы локальных водосборных бассейнов; 3 – область моделирования.

Для участка полигона ТКО и непосредственно примыкающих водосборных участков была создана локальная геофильтрационная модель с непроницаемыми границами по водоразделам и по подошве грунтового горизонта. Размеры расчетных блоков составили 25 × 25 м. Общее количество блоков 139(X) × 135(Y). При калибровке модели инфильтрационное питание, коэффициент фильтрации первого пласта, параметры взаимодействия с водотоками принимались аналогичными параметрам, полученным в результате калибрации “большой” модели. Дополнительно задавались дренажные канавы граничным условием “Drain”. Полученное распределение напоров подземных вод показано на рис. 12.

Рис. 12. Локальная модель: границы расчетной области и полученное распределение напора подземных вод: расчетные блоки с граничным условием: 1 – “River”, 2 – “Drain”; 3 – изолинии равного напора, м.

При прогнозе загрязнения подземных вод хлорид-ионом, поступающим под свалочным телом с инфильтрацией после рекультивации свалки, миграционные параметры соответствовали параметрам “большой” модели, инфильтрационное питание составило 60 мм/год на всей области моделирования в течение всего времени прогноза. В качестве начальных условий в подземных водах задавались концентрации Cl^–: под свалочным телом 2800–3000 мг/л, в остальной области фоновые значения 34 мг/л. Концентрация хлорид-иона в инфильтрации под свалочным телом после рекультивации задавалась по результатам, полученным ранее при моделировании водного и солевого баланса свалочного тела, т. е. с учетом долговременного поступления загрязнения на уровень подземных вод (табл. 5).

Таблица 5. Концентрации хлорид-иона в инфильтрации под свалочным телом

Результаты прогноза показали следующее:

• через 10 лет после рекультивации полигона за счет поступления с инфильтраций хлорид-иона под свалочным телом все еще будут существовать его высокие концентрации в подземных водах – от 1000 до 2500 мг/л, а за границами полигона (на границах дачного поселка) они снизятся до 500 мг/л. Колодец находится на пути миграции загрязнения, но загрязненные (с превышением ПДК хлорид-иона) воды к этому моменту еще не достигнут его (рис. 13а);
• через 50 лет после рекультивации полигона концентрации хлорид-иона под свалочным телом уменьшатся до 200–800 мг/л; область загрязнения с максимальными концентрациями 1000–1200 мг/л сместится вниз по потоку на расстояние 150–200 м от границ полигона и будет находиться под дачным поселком, концентрация хлорид-иона в колодезной воде вырастет до 600 мг/л при ПДК 350 мг/л (рис. 13б).

Рис. 13. Изолинии концентрации хлорид-иона (мг/л) в пласте после рекультивации свалочного тела через: а − 10 лет, б − 50 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенная методика оценки влияния полигонов ТКО на подземные воды состоит из двух этапов. На первом этапе при помощи численных методов расчета влагопереноса и солепереноса в зоне аэрации оцениваются количество фильтрата и концентрации загрязняющих веществ в фильтрате, поступающие на уровень подземных вод под свалочным телом в период существования и после его рекультивации. Полученные параметры используются в качестве граничных условий на верхней границе потока в геофильтрационной и геомиграционных моделях, что позволяет повысить достоверность прогноза загрязнения подземных вод в районе размещения полигона ТКО.

При прогнозе загрязнения подземных вод целесообразно рассматривать и реализовывать при помощи геофильтрационных и геомиграционных моделей разные сценарии формирования загрязнения подземных вод под свалочным телом и его переноса в подземных водах, в том числе самые неблагоприятные.

Так, уточненный на локальной модели прогноз миграции хлорид-иона в подземных водах в районе полигона в г. Дубна показал, что даже после 50-ти лет после его рекультивации концентрации хлорид-иона в подземных водах будут существенно превышать ПДК на удалении от него под дачным поселком. На результаты прогноза повлияли уточнение структуры потока и учет долговременного влияния поступления загрязняющих веществ из свалочного тела после рекультивации полигона.

About the authors

I. A. Pozdnyakova

Author for correspondence.
Email: irina_pozd58@mail.ru
Russian Federation, Bldg. 2, 13, Ulansky All., Moscow, 101000

I. A. Kostikova

Email: kostiran@yandex.ru
Russian Federation, Bldg. 2, 13, Ulansky All., Moscow, 101000

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Situation plan: a - scheme; b - satellite.

Download (330KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Hydrogeological section with vertical filtration pattern elements.

Download (900KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3. Calculation area of the model: 1 - landfill; 2 - watercourses; boundaries: 3 - southern; 4 - northern.

Download (544KB)

Indexing metadata

5. Fig. 4. Infiltration feeding zones (mm/year): 1 - 390; 2 - 100; 3 - 60, 4 - well and its number.

Download (243KB)

Indexing metadata

6. Fig. 5. Calculated lines of equal groundwater head in the first reservoir, m.

Download (342KB)

Indexing metadata

7. Fig. 6. Direction of groundwater movement in the calculation area.

Download (213KB)

Indexing metadata

8. Fig. 7. Contaminant trajectories from the landfill boundaries.

Download (117KB)

Indexing metadata

9. Fig. 8. Groundwater flow paths to the observation wells and the well.

Download (113KB)

Indexing metadata

10. Fig. 9. Isolines of chloride ion concentration in the first reservoir at the end of the 30-year period, mg/L.

Download (126KB)

Indexing metadata

11. Fig. 10. Isolines of chloride ion concentration in the first layer 10 years after landfill body remediation, mg/l.

Download (108KB)

Indexing metadata

12. Fig. 11. Catchment areas of the Volga-Dubna-Sestrinsk interfluve and modelling area: 1 - landfill; 2 - boundaries of local catchments; 3 - modelling area.

Download (240KB)

Indexing metadata

13. Fig. 12. Local model: calculation area boundaries and obtained groundwater head distribution: calculation blocks with boundary condition: 1 - ‘River’, 2 - ‘Drain’; 3 - isolines of equal head, m.

Download (376KB)

Indexing metadata

14. Fig. 13. Isolines of chloride ion concentration (mg/l) in the reservoir after landfill body remediation after: a - 10 years, b - 50 years.

Download (284KB)

Indexing metadata