Розробка математичної моделі та числове дослідження впливу біо-кольматації на фільтраційну консолідацію ґрунту

Автор(и)

  • Наталія Віталіївна Іванчук Національний університет водного господарства та природокористування, Україна https://orcid.org/0000-0002-6824-9406
  • Петро Миколайович Мартинюк Національний університет водного господарства та природокористування, Україна https://orcid.org/0000-0002-2750-2508
  • Ольга Романівна Мічута Національний університет водного господарства та природокористування, Україна https://orcid.org/0000-0002-8969-6897
  • Євгеній Зіновійович Маланчук Національний університет водного господарства та природокористування, Україна https://orcid.org/0000-0001-9352-4548
  • Ганна Олександрівна Шліхта Рівненський державний гуманітарний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-7184-1822

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230238

Ключові слова:

надлишкові напори, біо-кольматація, органічні відходи, метод скінченних елементів, фільтраційна консолідація

Анотація

Методами математичного та комп’ютерного моделювання досліджено ступінь впливу біо-кольматації на динаміку розсіювання надлишкових напорів в масиві ґрунту. З цією метою модифіковано класичне рівняння фільтраційної консолідації на випадок змінної пористості, як наслідок зміни біомаси. Числовий розв’язок сформованої математичної моделі у вигляді нелінійної крайової задачі знайдено методом скінченних елементів. Проведено числові експерименти та здійснено їх аналіз. Зокрема, представлено графіки різниць напорів в масиві ґрунту при нехтуванні біо-кольматацією та при урахуванні впливу біо-кольматації в конкретні моменти часу відповідно. Числові експерименти показали, що через два роки після початку процесу консолідації в околі нижньої межі досліджуваного масиву ґрунту товщиною 10 метрів, надлишкові напори спадають від початкового значення 10 м до 4 м. Найбільший вплив кольматація пор мікроорганізмами має в околі верхньої межі. На глибині 1 м при t=180 діб різниця напорів сягає 2.4 м. Це складає близько 200 % від розподілу напорів без урахування впливу біо-кольматації. З часом ефект впливу бактерій на розподіл напорів в околі верхньої межі зменшується. Однак цей ефект поширюється на весь масив ґрунту, аж до нижньої межі. Так при t=540 діб на нижній межі ефект біо-кольматації призводить до того, що надлишкові напори на 1.8 м більші, аніж для випадку фільтрації чистої води (відносне збільшення складає близько 80 %).

Процеси біо-кольматації, як результат розвитку мікроорганізмів, інтенсифікуються при надходженні в пористе середовище органічних хімічних речовин. Тому з практичної точки зору дослідження особливо актуальні для сховищ побутових відходів та стійкості їх ґрунтових основ. І проводити їх доцільно саме методами математичного та комп’ютерного моделювання

Біографії авторів

Наталія Віталіївна Іванчук, Національний університет водного господарства та природокористування

Кандидат технічних наук

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Петро Миколайович Мартинюк, Національний університет водного господарства та природокористування

Доктор технічних наук, професор

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Ольга Романівна Мічута, Національний університет водного господарства та природокористування

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра комп’ютерних наук та прикладної математики

Євгеній Зіновійович Маланчук, Національний університет водного господарства та природокористування

Доктор технічних наук, професор

Кафедра автоматизації, електротехнічних та комп’ютерно-інтегрованих технологій

Ганна Олександрівна Шліхта, Рівненський державний гуманітарний університет

Кандидат педагогічних наук, доцент

Кафедра інформаційно-комунікаційних технологій та методики викладання інформатики

Посилання

  1. Zaretskii, Yu. K. (1972). Theory of soil consolidation. Israel Program for Scientific Translation.
  2. DBN V.2.4-3:2010 (2010). Derzhavni budivelni normy Ukrainy. Hidrotekhnichni, enerhetychni ta melioratyvni systemy i sporudy, pidzemni hirnychi vyrobky. Hidrolohichni sporudy. Osnovni polozhennia. Kyiv: Minrehionbud Ukrainy. Available at: https://dbn.co.ua/load/normativy/dbn/1-1-0-802
  3. DBN V.2.1-10-2009 (2009). Derzhavni budivelni normy Ukrainy. Obiekty budivnytstva ta promyslova produktsiya budivelnoho pryznachennia. Osnovy ta fundamenty budynkiv i sporud. Osnovy ta fundamenty sporud. Osnovni polozhennia proektuvannia. Kyiv: Minrehionbud Ukrainy. Available at: https://dbn.co.ua/load/normativy/dbn/dbn_v21_10_2009/1-1-0-319
  4. Park, S., Hong, S. (2021). Nonlinear Modeling of Subsidence From a Decade of InSAR Time Series. Geophysical Research Letters, 48 (3). doi: http://doi.org/10.1029/2020gl090970
  5. Widada, S., Zainuri, M., Yulianto, G., Satriadi, A., Wijaya, Y. (2020). Estimation of Land Subsidence Using Sentinel Image Analysis and Its Relation to Subsurface Lithology Based on Resistivity Data in the Coastal Area of Semarang City, Indonesia. Journal of Ecological Engineering, 21 (8), 47–56. doi: http://doi.org/10.12911/22998993/127394
  6. 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: http://doi.org/10.1029/2018wr023202
  7. Moshynsky, V., Riabova, O. (2013). Approaches to Aquatic Ecosystems Organic Energy Assessment and Modelling. Black Sea Energy Resource Development and Hydrogen Energy Problems. NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security. Dordrecht: Springer, 125–135. doi: http://doi.org/10.1007/978-94-007-6152-0_12
  8. Michuta, O. R., Vlasyuk, A. P., Martinyuk, P. N. (2013). Influence of chemical erosion on filtration consolidation of saline soils in nonisothermal conditions. Matematicheskoe modelirovanie, 25 (2), 3–18. Available at: http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=mm&paperid=3327&option_lang=rus
  9. Gui, R., Pan, Y., Ding, D., Liu, Y., Zhang, Z. (2018). Experimental Study on Bioclogging in Porous Media during the Radioactive Effluent Percolation. Advances in Civil Engineering, 2018, 1–6. doi: http://doi.org/10.1155/2018/9671371
  10. Wang, Y., Huo, M., Li, Q., Fan, W., Yang, J., Cui, X. (2018). Comparison of clogging induced by organic and inorganic suspended particles in a porous medium: implications for choosing physical clogging indicators. Journal of Soils and Sediments, 18 (9), 2980–2994. doi: http://doi.org/10.1007/s11368-018-1967-6
  11. Thullner, M., Regnier, P. (2019). Microbial Controls on the Biogeochemical Dynamics in the Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 85 (1), 265–302. doi: http://doi.org/10.2138/rmg.2019.85.9
  12. Glatstein, D. A., Montoro, M. A., Carro Pérez, M. E., Francisca, F. M. (2017). Hydraulic, Chemical and Biological Coupling on Heavy Metals Transport Through Landfills Liners. The Journal of Solid Waste Technology and Management, 43 (3), 261–269. doi: http://doi.org/10.5276/jswt.2017.261
  13. Mohanadhas, B., Kumar, G. S. (2019). Numerical Experiments on Fate and Transport of Benzene with Biological Clogging in Vadoze Zone. Environmental Processes, 6 (4), 841–858. doi: http://doi.org/10.1007/s40710-019-00402-w
  14. Lopez-Peña, L. A., Meulenbroek, B., Vermolen, F. (2019). A network model for the biofilm growth in porous media and its effects on permeability and porosity. Computing and Visualization in Science, 21 (1-6), 11–22. doi: http://doi.org/10.1007/s00791-019-00316-y
  15. Bohaienko, V., Bulavatsky, V. (2020). Fractional-Fractal Modeling of Filtration-Consolidation Processes in Saline Saturated Soils. Fractal and Fractional, 4 (4), 59. doi: http://doi.org/10.3390/fractalfract4040059
  16. Józefiak, K., Zbiciak, A., Brzeziński, K., Maślakowski, M. (2021). A Novel Approach to the Analysis of the Soil Consolidation Problem by Using Non-Classical Rheological Schemes. Applied Sciences, 11 (5), 1980. doi: http://doi.org/10.3390/app11051980
  17. Tian, Y., Wu, W., Jiang, G., El Naggar, M. H., Mei, G., Xu, M., Liang, R. (2020). One‐dimensional consolidation of soil under multistage load based on continuous drainage boundary. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 44 (8), 1170–1183. doi: http://doi.org/10.1002/nag.3055
  18. Vlasyuk, A. P., Martynyuk, P. M. (2010). Numerical solution of three-dimensional problems of filtration consolidation with regard for the influence of technogenic factors by the method of radial basis functions. Journal of Mathematical Sciences, 171 (5), 632–648. doi: http://doi.org/10.1007/s10958-010-0163-z
  19. 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: http://doi.org/10.1007/s10958-009-9518-8
  20. Glatstein, D. A., Francisca, F. M. (2014). Hydraulic conductivity of compacted soils controlled by microbial activity. Environmental Technology, 35 (15), 1886–1892. doi: http://doi.org/10.1080/09593330.2014.885583
  21. 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: http://doi.org/10.1016/j.jenvman.2018.05.039
  22. Ulyanchuk-Martyniuk, O., Michuta, O., Ivanchuk, N. (2020). Biocolmation and the finite element modeling of its influence on changes in the head drop in a geobarrier. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (10 (106)), 18–26. doi: http://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.210044
  23. Gerus, V. A., Martyniuk, P. M. (2015). Generalization of the soil consolidation equation taking into account the influence of physicochemical factors .Bulletin of VN Karazin Kharkiv National University. Series: Mathematical modeling. Information Technology. Automated control systems, 27, 41–52. Available at: http://nbuv.gov.ua/UJRN/VKhIMAM_2015_27_7
  24. Bulavatsky, V. M., Bohaienko, V. O. (2020). Some Consolidation Dynamics Problems within the Framework of the Biparabolic Mathematical Model and its Fractional-Differential Analog. Cybernetics and Systems Analysis, 56 (5), 770–783. doi: http://doi.org/10.1007/s10559-020-00298-7
  25. Wang, H.-X., Xu, W., Zhang, Y.-Y., Sun, D.-A. (2021). Simplified solution to one-dimensional consolidation with threshold gradient. Computers and Geotechnics, 131, 103943. doi: http://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103943
  26. Araujo, F., Fantucci, H., Nunes, E., Santos, R. M. (2020). Geochemical Modeling Applied in Waste Disposal, and Its Relevance for Municipal Solid Waste Management. Minerals, 10 (10), 846. doi: http://doi.org/10.3390/min10100846
  27. Rodrigo-Ilarri, J., Rodrigo-Clavero, M.-E., Cassiraga, E. (2020). BIOLEACH: A New Decision Support Model for the Real-Time Management of Municipal Solid Waste Bioreactor Landfills. International Journal of Environmental Research and Public Health, 17 (5), 1675. doi: http://doi.org/10.3390/ijerph17051675
  28. Sergienko, I. V., Skopetskiy, V. V., Deyneka, V. S. (1991). Matematicheskoe modelirovanie i issledovanie protsessov v neodnorodnykh sredakh. Kyiv: Naukova dumka, 432.
  29. Ulianchuk-Martyniuk, O. V. (2020). Numerical simulation of the effect of semipermeable 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: http://doi.org/10.32523/2306-6172-2020-8-1-91-104
  30. Šimůnek, J., van Genuchten, M. T., Šejna, M. (2016). Recent Developments and Applications of the HYDRUS Computer Software Packages. Vadose Zone Journal, 15 (7). doi: http://doi.org/10.2136/vzj2016.04.0033
  31. 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: http://doi.org/10.1111/j.1745-6584.1996.tb02088.x
  32. Manfred, B., Jaap, B., Klaus, M., Rolf, M. (2006). Enumeration and Biovolume Determination od Microbial Cells. Microbiological Methods for Assessing Soil Quality. CABI Publishing, 93–113. doi: https://doi.org/10.1079/9780851990989.0093

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-04-30

Як цитувати

Іванчук, Н. В., Мартинюк, П. М., Мічута, О. Р., Маланчук, Є. З., & Шліхта, Г. О. (2021). Розробка математичної моделі та числове дослідження впливу біо-кольматації на фільтраційну консолідацію ґрунту. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2(10 (110), 27–34. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230238

Номер

Том 2 № 10 (110) (2021): Екологія

Розділ

Екологія

Ліцензія

Авторське право (c) 2021 Наталія Віталіївна Іванчук, Петро Миколайович Мартинюк, Ольга Романівна Мічута, Євгеній Зіновійович Маланчук, Ганна Олександрівна Шліхта

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.