Вынос из придонного слоя речных систем загрязнений, накопленных в процессе сброса воды, содержащей продукты промышленной переработки

Вынос из придонного слоя речных систем загрязнений, накопленных в процессе сброса воды, содержащей продукты промышленной переработки

Автор: Марышев Борис Сергеевич, Паршакова Янина Николаевна, Иванцов Андрей Олегович, Зубова Надежда Алексеевна

Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm

Статья в выпуске: 2 т.15, 2022 года.

Бесплатный доступ

Проведено трехмерное численное моделирование транспорта примеси в двухслойной системе «жидкость-пористая среда, насыщенная жидкостью» для разных условий гидродинамического режима реки. Исследована динамика отработанной на предприятиях воды, содержащей тяжелые примеси. Параметры численного эксперимента соответствовали данным натурных экспериментов в естественных водных объектах, ресурсы которых используются Соликамско-Березниковским промышленным узлом. Вследствие поступления рассолов в гипорейной зоне реки (в переходной зоне между поверхностными речными водами русла реки и подземными водами из водоносных горизонтов, окружающих реку) над массивом пористой среды (дном) накапливаются загрязнения, которые поток жидкости выносит в русло. Решалась задача о вымывании рассола, распределенного в пористой среде. Расчетная область состояла из массива жидкости (реки), распространяющейся над пористой средой (дном реки, гипорейной зоной). Показано, что при наличии «тяжелых» примесей содержание загрязняющих ингредиентов в грунте речного дна вблизи мест сброса увеличивается. Такие задачи остро встают при отведении избыточных высокоминерализованных рассолов в водные объекты на территории промышленных комплексов с «тяжелыми» сточными водами, в которых из-за значительных внутригодовых колебаний уровня воды в объектах и ледового покрова, предпочтительным считается вариант с придонным отведением сточных вод.

Еще

Водные объекты, сброс жидких отходов, перенос и аккумуляция загрязнений в пористой среде, моделирование качества воды

Короткий адрес: https://sciup.org/143178786

IDR: 143178786   |   DOI: 10.7242/1999-6691/2022.15.2.16

Список литературы Вынос из придонного слоя речных систем загрязнений, накопленных в процессе сброса воды, содержащей продукты промышленной переработки

  • Arle J., Wagner F. Effect of anthropogenic salinisation on the ecological status of macroinvertebrate assemblages in the Werra River (Thuringia, Germany) // Hydrobiologia. 2013. Vol. 701. P. 129-148. https://doi.org/10.1007/s10750-012-1265-z
  • Salama R.B., Otto C.J., Fitzpatrick R.W. Contributions of groundwater conditions to soil and water salinization // Hydrogeology Journal. 1999. Vol. 7. P. 46-64. https://doi.org/10.1007/s100400050179
  • Wells M.G., Wettlaufer J.S. The long-term circulation driven by density currents in a two-layer stratified basin // J. Fluid Mech. 2007. Vol. 572. P. 37-58. https://doi.org/10.1017/S0022112006003478
  • Baldwin D.S., Rees G.N., Mitchell A.M., Watson G., Williams J. The short-term effects of salinization on anaerobic nutrient cycling and microbial community structure in sediment from a freshwater wetland // Wetlands. 2006. Vol. 26. P. 455-464.
  • Eilers R.G., Eilers W.D., Fitzgerald M.M. A salinity risk index for soils of the Canadian Prairies // Hydrogeology Journal. 1997. Vol. 5. P. 68-79. https://doi.org/10.1007/s100400050118
  • Khayrulina E., Bogush A., Novoselova L., Mitrakova N. Properties of alluvial soils of taiga forest under anthropogenic salinization // Forests. 2021. Vol. 12. 321. https://doi.org/10.3390/f12030321
  • Любимова Т.П., Лепихин А.П., Паршакова Я.Н., Циберкин К.Б. Численное моделирование инфильтрации жидких отходов из хранилища в прилегающие грунтовые воды и поверхностные водоёмы // Вычисл. мех. сплош. сред. 2015. Т. 8, № 3. С. 310-318. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.3.26
  • Baure M., Eichinger L., Elsass P., Kloppmann W., Wirsing G. Isotopic and hydrochemical studies of groundwater flow and salinity in the Southern Upper Rhine Graden // Int. J. Earth Sci. 2005. Vol. 94. P. 565-579. https://doi.org/10.1007/s00531-005-0500-5
  • Khayrulina E., Maksimovich N. Influence of drainage with high contents of water-soluble salts on the environment in the Verkhnekamskoe potash deposit, Russia // Mine Water Environ. 2018. Vol. 37. P. 595-603. https://doi.org/10.1007/s10230-017-0509-6
  • Fetisova N.F., Fetisov V.V., Maio M.D., Zekster I.S. Groundwater vulnerability assessment based on calculation of chloride travel time through the unsaturated zone on the area of the Upper Kama potassium salt deposit // Environ. Earth Sci. 2016. Vol. 75. 681. https://doi.org/10.1007/s12665-016-5496-6
  • Andreichuk V., Eraso A., Domínguez M.C. A large sinkhole in the Verchnekamsky potash basin in the Urals // Mine Water Environ. 2000. Vol. 19. P. 2-18. https://doi.org/10.1007/BF02687261
  • Lepikhin A.P., Lyubimova T.P., Parshakova Ya.N., Tiunov A.A. Discharge of excess brine into water bodies at potash industry works // J. Min. Sci. 2012. Vol. 48. P. 390-397. https://doi.org/10.1134/S1062739148020220
  • Любимова Т.П., Лепихин А.П., Паршакова Я.Н. Численное моделирование отведения высокоминерализованных сточных вод в водные объекты с целью усовершенствования конструкций выпускных устройств // Вычисл. мех. сплош. сред. 2019. Т. 12, № 4. С. 427-434. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2019.12.4.36
  • Gu R., Stefan H.G. Analysis of turbulent buoyant jet in density stratified water // J. Environ. Eng. 1988. Vol. 114. Р. 878-897. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9372(1988)114:4(878)
  • Jirka G.H. Integral model for turbulent buoyant jets in unbounded stratified flows. Part I: Single round jet // Environ. Fluid Mech. 2004. Vol. 4. P. 1-56. https://doi.org/10.1023/A:1025583110842
  • Lai A.C.H., Yu D., Lee J.H.W. Mixing of a rosette jet group in a crossflow // J. Hydraul. Eng. 2011. Vol. 137. Р. 787-803. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000359
  • Norman T.L., Revankar S.T. Buoyant jet and two-phase jet-plume modeling for application to large water pools // Nucl. Eng. Des. 2011. Vol. 241. P. 1667-1700. https://doi.org/10.1016/j.nucengdes.2011.02.015
  • Lyubimova T.P., Roux B., Luo S., Parshakova Y.N., Shumilova N.S. Modeling of the near-field distribution of pollutants coming from a coastal outfall // Nonlin. Processes Geophys. 2013. Vol. 20. P. 257-266. https://doi.org/10.5194/ npg-20-257-2013
  • Lai C.C.K., Lee J.H.W. Initial mixing of inclined dense jet in perpendicular crossflow // Environ. Fluid Mech. 2014. Vol. 14. P. 25-49. https://doi.org/10.1007/s10652-013-9290-7
  • Lee J.H.W. Mixing of multiple buoyant jets // J. Hydraul. Eng. 2012. Vol. 138. P. 1008-1021. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000560
  • Lai A.C.H., Lee J.H.W. Dynamic interaction of multiple buoyant jets // J. Fluid Mech. 2012. Vol. 708. P. 539-575. https://doi.org/10.1017/jfm.2012.332
  • Harvey J.W., Bencala K.E. The effect of streambed topography on surface-subsurface water exchange in mountain catchments // Water Resour. Res. 1993. Vol. 29. P. 89-98. https://doi.org/10.1029/92WR01960
  • Sophocleous M. Interactions between groundwater and surface water: The state of the science // Hydrogeology Journal. 2002. Vol. 10. P. 52-67. https://doi.org/10.1007/s10040-001-0170-8
  • Boulton A.J., Datry T., Kasahara T., Mutz M., Stanford J.A. Ecology and management of the hyporheic zone: Stream-groundwater interactions of running waters and their floodplains // J. N. Am. Benthol. Soc. 2010. Vol. 29. P. 26-40. https://doi.org/10.1899/08-017.1
  • Hester E.T., Gooseff M.N. Moving beyond the banks: Hyporheic restoration is fundamental to restoring ecological services and functions of streams // Environ. Sci. Technol. 2010. Vol. 44. P. 1521-1525. https://doi.org/10.1021/es902988n
  • Krause S., Tecklenburg C., Munz M., Naden E. Streambed nitrogen cycling beyond the hyporheic zone: Flow controls on horizontal patterns and depth distribution of nitrate and dissolved oxygen in the upwelling groundwater of a lowland river // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2013. Vol. 118. P. 54-67. https://doi.org/10.1029/2012JG002122
  • Lewandowski J., Arnon S., Banks E. et al. Is the hyporheic zone relevant beyond the scientific community? // Water. 2019. Vol. 11. 2230. https://doi.org/10.3390/w11112230
  • Dent C.L., Grimm N.B., Martί E., Edmonds J.W., Henry J.C., Welter J.R. Variability in surfacesubsurface hydrologic interactions and implications for nutrient retention in an arid-land stream // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2007. Vol. 112. G04004. http://dx.doi.org/10.1029/2007jg000467
  • Buffington J.M., Tonina D. Hyporheic exchange in mountain rivers II: Effects of channel morphology on mechanics, scales, and rates of exchange // Geography Compass. 2009. Vol. 3. P. 1038-1062. https://doi.org/10.1111/j.1749-8198.2009.00225.x
  • Cardenas M.B. Stream-aquifer interactions and hyporheic exchange in gaining and losing sinuous streams // Water Resour. Res. 2009. Vol. 45. W06429. https://doi.org/10.1029/2008WR007651
  • Ruehl C.R., Fisher A.T., Los Huertos M., Wankel S.D., Wheat C.G., Kendall C., Hatch C.E., Shennan C. Nitrate dynamics within the Pajaro River, a nutrient-rich, losing stream // J. N. Am. Benthol. Soc. 2009. Vol. 26. P. 191-206. https://doi.org/10.1899/0887-3593(2007)26[191:NDWTPR]2.0.CO;2
  • Bardini L., Boano F., Cardenas M.B., Revelli R., Ridolfi L. Nutrient cycling in bedform induced hyporheic zones // Geochim. Cosmochim. Acta. 2012. Vol. 84. P. 47-61. https://doi.org/10.1016/j.gca.2012.01.025
  • Wu L., Singh T., Gomez-Velez J., Nutzmann G., Wörman A., Krause S., Lewandowski J. Impact of dynamically changing discharge on hyporheic exchange processes under gaining and losing groundwater conditions // Water Resour. Res. 2018. Vol. 54. P. 10076-10093. https://doi.org/10.1029/2018WR023185
  • Van der Molen D.T., Breeuwsma A., Boers P.C.M. Agricultural nutrient losses to surface water in the Netherlands: Impact, strategies, and perspectives // J. Environ. Qual. 1998. Vol. 27. P. 4-11. https://doi.org/10.2134/jeq1998.00472425002700010002x
  • Lewandowski J., Putschew A., Schwesig D., Neumann C., Radke M. Fate of organic micropollutants in the hyporheic zone of a eutrophic lowland stream: Results of a preliminary field study // Sci. Total Environ. 2011. Vol. 409. P. 1824-1835. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2011.01.028
  • Engelhardt I., Barth J.A.C., Bol R., Schulz M., Ternes T.A., Schuth C., van Geldern R. Quantification of long-term wastewater fluxes at the surface water/groundwater-interface: An integrative model perspective using stable isotopes and acesulfame // Sci. Total Environ. 2014. Vol. 466-467. P. 16-25. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.06.092
  • Brunke M., Gonser T. The ecological significance of exchange processes between rivers and groundwater // Freshwater Biology. 1997. Vol. 37. P. 1-33. https://doi.org/10.1046/j.1365-2427.1997.00143.x
  • Heberer T., Massmann G., Fanck B., Taute T., Dünnbier U. Behaviour and redox sensitivity of antimicrobial residues during bank filtration // Chemosphere. 2008. Vol. 73. P. 451-460. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2008.06.056
  • Botter G., Basu N.B., Zanardo S., Rao P.S.C., Rinaldo A. Stochastic modeling of nutrient losses in streams: Interactions of climatic, hydrologic and biogeochemical controls // Water Resour. Res. 2010. Vol. 46. W08509. https://doi.org/10.1029/2009WR008758
  • Huntscha S., Singer H.P., McArdell C.S., Frank C.E., Hollender J. Multiresidue analysis of 88 polar organic micropollutants in ground, surface and wastewater using online mixed-bed multilayer solid-phase extraction coupled to high performance liquid chromatography-tandem mass spectrometry // J. Chromatogr. A. 2012. Vol. 1268. P. 74-83. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2012.10.032
  • Lawrence J.E., Skold M.E., Hussain F.A., Silverman D.R., Resh V.H., Sedlak D.L., Luthy R.G., McCray J.E. Hyporheic zone in urban streams: A review and opportunities for enhancing water quality and improving aquatic habitat by active management // Environ. Eng. Sci. 2013. Vol. 30. P. 480-501. https://doi.org/10.1089/ees.2012.0235
  • Regnery J., Barringer J., Wing A.D., Hoppe-Jones C., Teerlink J., Drewes J.E. Start-up performance of a fullscale riverbank filtration site regarding removal of DOC, nutrients, and trace organic chemicals // Chemosphere. 2015. Vol. 127. P. 136-142. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2014.12.076
  • Schaper J.L., Posselt M., McCallum J.L., Banks E.W., Hoehne A., Meinikmann K., Shanafield M.A., Batelaan O., Lewandowski J. Hyporheic exchange controls fate of trace organic compounds in an urban stream // Environ. Sci. Technol. 2018. Vol. 52. P. 12285-12294. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b03117
  • Schaper J.L., Posselt M., Bouchez C., Jaeger A., Nuetzmann G., Putschew A., Singer G., Lewandowski J. Fate of trace organic compounds in the hyporheic zone: Influence of retardation, the benthic biolayer, and organic carbon // Environ. Sci. Technol. 2019. Vol. 53. P. 4224-4234. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b06231
  • Kasahara T., Wondzell S.M. Geomorphic controls on hyporheic exchange flow in mountain streams // Water Resour. Res. 2003. Vol. 39. SBH 3. https://doi.org/10.1029/2002WR001386
  • Peterson E.W., Sickbert T.B. Stream water bypass through a meander neck, laterally extending the hyporheic zone // Hydrogeology Journal. 2006. Vol. 14. P. 1443-1451. https://doi.org/10.1007/s10040-006-0050-3
  • Gariglio F.P., Tonina D., Luce C.H. Spatiotemporal variability of hyporheic exchange through a pool-riffle pool sequence // Water Resour. Res. 2013. Vol. 49. P. 7185-7204. https://doi.org/10.1002/wrcr.20419
  • Fox A., Boano F., Arnon S. Impact of losing and gaining streamflow conditions on hyporheic exchange fluxes induced by dune-shaped bed forms // Water Resour. Res. 2014. Vol. 50. P. 1895-1907. https://doi.org/10.1002/2013WR014668
  • Cardenas M.B., Wilson J.L. Exchange across a sediment–water interface with ambient groundwater discharge // J. Hydrol. 2007. Vol. 346. P. 69-80. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2007.08.019
  • Cardenas M.B., Wilson J.L. Thermal regime of dune-covered sediments under gaining and losing water bodies // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2007. Vol. 112. G04013. http://dx.doi.org/10.1029/2007jg000485
  • Jin G., Tang H., Li L., Barry D.A. Hyporheic flow under periodic bed forms influenced by low-density gradients // Geophys. Res. Lett. 2011. Vol. 38. L22401. https://doi.org/10.1029/2011GL049694
  • Trauth N., Schmidt C., Maier U., Vieweg M., Fleckenstein J.H. Coupled 3-D stream flow and hyporheic flow model under varying stream and ambient groundwater flow conditions in a pool-riffle system // Water Resour. Res. 2013. Vol. 49. P. 5834-5850. https://doi.org/10.1002/wrcr.20442
  • Trauth N., Schmidt C., Vieweg M., Maier U., Fleckenstein J.H. Hyporheic transport and biogeochemical reactions in pool-riffle systems under varying ambient groundwater flow conditions // J. Geophys. Res.: Biogeosci. 2014. Vol. 119. P. 910-928. https://doi.org/10.1002/2013JG002586
  • Li B., Liu X., Kaufman M.H., Turetcaia A., Chen X., Cardenas M.B. Flexible and modular simultaneous modeling of flow and reactive transport in rivers and hyporheic zones // Water Resour. Res. 2020. Vol. 56. e2019WR026528. https://doi.org/10.1029/2019WR026528
  • Kinzelbach W. Numerische Methoden zur Modellierung des Transports von Schadstoffen im Grundwasser. München: Oldenbourg Wissenschaftsverlag, 1992. 343 p.
  • Broecker T., Sobhi Gollo V., Fox A., Lewandowski J., Nützmann G., Arnon S., Hinkelmann R. High-resolution integrated transport model for studying surface water-groundwater interaction // Groundwater. 2021. Vol. 59. P. 488-502. https://doi.org/10.1111/gwat.13071
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp