Біо-кольматація та скінченноелементне моделювання її впливу на зміни стрибків напорів в геобар’єрі

Автор(и)

  • Oksana Ulyanchuk-Martyniuk Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028, Україна https://orcid.org/0000-0002-9077-7272
  • Olga Michuta Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028, Україна https://orcid.org/0000-0002-8969-6897
  • Natalia Ivanchuk Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028, Україна https://orcid.org/0000-0002-7170-7068

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210044

Ключові слова:

біо-кольматація, органічні відходи, геобар’єр, метод скінченних елементів, модель розвитку бактерій

Анотація

Авторами досліджено вплив біо-кольматації геобар’єра сховища органічних відходів на значення стрибків напорів. Сформовано математичну модель фільтрації органічних речовин з урахуванням ефекту біо-кольматації. Математична модель містить рівняння фільтрації в умовах змінної пористості. Також в математичну модель входить рівняння перенесення органічних хімічних речовин в поровій рідині пористого середовища та рівняння динаміки біомаси бактерій в пористому середовищі на основі рівняння Моно. Розв’язання задачі в області з тонким включенням здійснено методом скінченних елементів. Наведено схематичний алгоритм відшукання наближеного розв’язку крайової задачі, включаючи схему дискретизації в часі. Проведено числові експерименти та здійснено їх аналіз. Зокрема, представлено таблиці значення напорів та їх стрибків на включенні при нехтуванні біо-кольматацією та значення напорів та їх стрибків на включенні при урахуванні біо-кольматації в конкретні моменти часу. Числові експерименти показали, що наявність мікроорганізмів у порах ґрунту значно впливає на значення напорів зверху та знизу геобар’єра. Зокрема, відносні зміни в стрибках напорів, в порівнянні із випадком нехтування впливом мікроорганізмів, можуть сягати 54.8 % в сторону збільшення. Такі відмінності, в свою чергу, призводять до змін у прогнозних розрахунках поширення забруднень зі сховищ відходів у ґрунтові води. Також вони можуть спричинити негативні зміни напружено-деформованого стану масиву ґрунту в околі геобар’єра, як типу тонкого включення, та призвести до активізації зсувних процесів. При цьому, в силу нелінійності впливів та складної взаємозалежності процесів, спрогнозувати такі значення та їх відмінності без комп’ютерного та математичного моделювання неможливо

Біографії авторів

Oksana Ulyanchuk-Martyniuk, Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028

Аспірант

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Olga Michuta, Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Natalia Ivanchuk, Національний університет водного господарства та природокористування вул. Соборна, 11, м. Рівне, Україна, 33028

Кандидат технічних наук

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Посилання

  1. Kong, D.-J., Wu, H.-N., Chai, J.-C., Arulrajah, A. (2017). State-Of-The-Art Review of Geosynthetic Clay Liners. Sustainability, 9 (11), 2110. doi: https://doi.org/10.3390/su9112110
  2. Scalia, J., Bareither, C. A., Shackelford, C. D. (2018). Advancing the use of geosynthetic clay liners as barriers. Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA, 49 (4), 100–114. Available at: https://www.researchgate.net/publication/329544978_Advancing_the_use_of_geosynthetic_clay_liners_as_barriers
  3. Martyniuk, P. M., Michuta, O. R., Ulianchuk-Martyniuk, O. V., Kuzlo, M. T. (2018). Numerical investigation of pressure head jump values on a thin inclusion in one-dimensional non-linear soil mousture transport problem. International Journal of Apllied Mathematics, 31 (4), 649–660. doi: https://doi.org/10.12732/ijam.v31i4.10
  4. Chui, Y., Martyniuk, P., Kuzlo, M., Ulianchuk-Martyniuk, O. (2019). The conditions of conjugation in the tasks of moisture transfer on a thin clay inclusion taking into account salt salutions and temperature. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 49 (1), 28–38. doi: https://doi.org/10.7546/jtam.49.19.01.03
  5. Ulianchuk-Martyniuk, O., Michuta, O. (2020). Conjugation conditions in the problem of filtering chemical solutions in the case of structural changes to the material and chemical suffusion in the geobarrier. JP Journal of Heat and Mass Transfer, 19 (1), 141–154. doi: https://doi.org/10.17654/hm019010141
  6. Ulianchuk-Martyniuk, O. V. (2020). Numerical simulation of the effect of semi-permeable properties of clay on the value of concentration jumps of contaminants in a thin geochemical barrier. Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications, 8 (1), 91–104. doi: https://doi.org/10.32523/2306-6172-2020-8-1-91-104
  7. Baveye, P., Vandevivere, P., Hoyle, B. L., DeLeo, P. C., de Lozada, D. S. (1998). Environmental Impact and Mechanisms of the Biological Clogging of Saturated Soils and Aquifer Materials. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 28 (2), 123–191. doi: https://doi.org/10.1080/10643389891254197
  8. Seki, K. (2013). Biological Clogging of Sand Columns. Open Journal of Soil Science, 03 (03), 148–152. doi: https://doi.org/10.4236/ojss.2013.33017
  9. Knabe, D., Kludt, C., Jacques, D., Lichtner, P., Engelhardt, I. (2018). Development of a Fully Coupled Biogeochemical Reactive Transport Model to Simulate Microbial Oxidation of Organic Carbon and Pyrite Under Nitrate‐Reducing Conditions. Water Resources Research, 54 (11), 9264–9286. doi: https://doi.org/10.1029/2018wr023202
  10. Moshynsky, V., Riabova, O. (2013). Approaches to Aquatic Ecosystems Organic Energy Assessment and Modelling. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security, 125–135. doi: https://doi.org/10.1007/978-94-007-6152-0_12
  11. Glatstein, D. A., Francisca, F. M. (2014). Hydraulic conductivity of compacted soils controlled by microbial activity. Environmental Technology, 35 (15), 1886–1892. doi: https://doi.org/10.1080/09593330.2014.885583
  12. Clement, T. P., Hooker, B. S., Skeen, R. S. (1996). Macroscopic Models for Predicting Changes in Saturated Porous Media Properties Caused by Microbial Growth. Ground Water, 34 (5), 934–942. doi: https://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1996.tb02088.x
  13. Tang, Q., Gu, F., Zhang, Y., Zhang, Y., Mo, J. (2018). Impact of biological clogging on the barrier performance of landfill liners. Journal of Environmental Management, 222, 44–53. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.039
  14. Thullner, M., Regnier, P. (2019). Microbial Controls on the Biogeochemical Dynamics in the Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 85 (1), 265–302. doi: https://doi.org/10.2138/rmg.2019.85.9
  15. Bajracharya, B. M., Lu, C., Cirpka, O. A. (2014). Modeling substrate-bacteria-grazer interactions coupled to substrate transport in groundwater. Water Resources Research, 50 (5), 4149–4162. doi: https://doi.org/10.1002/2013wr015173
  16. Thullner, M., Schroth, M. H., Zeyer, J., Kinzelbach, W. (2004). Modeling of a microbial growth experiment with bioclogging in a two-dimensional saturated porous media flow field. Journal of Contaminant Hydrology, 70 (1-2), 37–62. doi: https://doi.org/10.1016/j.jconhyd.2003.08.008
  17. Thullner, M. (2010). Comparison of bioclogging effects in saturated porous media within one- and two-dimensional flow systems. Ecological Engineering, 36 (2), 176–196. doi: https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.12.037
  18. Eljamal, O., Jinno, K., Hosokawa, T. (2008). A mathematical model of biological clogging of soil-sawdust media. Journal of Environmental Hydrology, 16 (4), 1–12. Available at: https://www.researchgate.net/publication/281260984_A_mathematical_model_of_biological_clogging_of_soil-sawdust_media
  19. Sergienko, I. V., Skopetskiy, V. V., Deyneka, V. S. (1991). Matematicheskoe modelirovanie i issledovanie protsessov v neodnorodnyh sredah. Kyiv: Naukova dumka, 431.
  20. Vlasyuk, A. P., Martynyuk, P. M., Fursovych, O. R. (2009). Numerical solution of a one-dimensional problem of filtration consolidation of saline soils in a nonisothermal regime. Journal of Mathematical Sciences, 160 (4), 525–535. doi: https://doi.org/10.1007/s10958-009-9518-8
  21. Bölter, M., Bloem, J., Meiners, K., Möller, R. (2005). Enumeration and biovolume determination of microbial cells. Microbiological Methods for Assessing Soil Quality, 93–113. doi: https://doi.org/10.1079/9780851990989.0093

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-08-31

Як цитувати

Ulyanchuk-Martyniuk, O., Michuta, O., & Ivanchuk, N. (2020). Біо-кольматація та скінченноелементне моделювання її впливу на зміни стрибків напорів в геобар’єрі. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(10 (106), 18–26. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210044

Номер

Том 4 № 10 (106) (2020): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Oksana Ulyanchuk-Martyniuk, Olga Michuta, Natalia Ivanchuk

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.