Разработка модели распространения свалочного фильтрата в толще грунтовых пород основания объектов размещения твердых коммунальных отходов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-11-00214

НазваниеРазработка модели распространения свалочного фильтрата в толще грунтовых пород основания объектов размещения твердых коммунальных отходов

Руководитель Паршакова Янина Николаевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-308 - Динамика вязкой жидкости

Ключевые слова Фильтрация, полигоны твердых коммунальных отходов, загрязнения с высокой концентрацией, фильтрат полигонов ТКО, моделирование миграции загрязняющих веществ, транспорт примеси в пористой среде, диффузия, конвекция в пористой среде, течение в системе жидкость-пористая среда, трехмерное численное моделирование.

Код ГРНТИ30.51.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение проблемы корректного описания и прогнозирования распространения и выноса высококонцентрированных загрязнений от действующих мест размещения твердых коммунальных отходов (ТКО). Коллектив исполнителей представляет собой коллаборацию молодых ученых гидродинамиков и экологов, специализирующихся в области теоретических, численных и экспериментальных методов исследования процессов межфазной гидродинамики и гетерогенных сред. Не смотря на активное внедрение передовых способов переработки твердых коммунальных отходов, в настоящее время метод складирования отходов на специализированных объектах размещения является наиболее распространенным способом обращения с отходами. В процессе эксплуатации объектов размещения отходов в результате биохимических процессов наблюдается их разложение с образованием свалочного фильтрата, имеющего высокое содержание загрязняющих веществ. В случае нарушения целостности противофильтрационных экранов, расположенных в основании объектов и препятствующих проникновению загрязненных стоков в подземные горизонты, возможно распространение загрязняющих веществ на значительные расстояния от источника загрязнения и изменение качества окружающей среды. Как правило, перенос жидкости с примесью в пористой среде в местах размещения ТКО в современной литературе описывается в рамках стандартной двумерной модели диффузии, без учета наличия участков повышенной температуры в теле свалочного полигона. Однако такой подход осложняет получение достоверных численных данных, поскольку перенос примеси через пористую среду в местах размещения ТКО всегда осложнен конвективными процессами из-за значительной неоднородности температуры в толще свалочного тела полигона. При этом присутствуют процессы сорбции примеси на поверхности пор, приводящие к изменению размера пор, а соответственно к изменению пористости и проницаемости среды. Вариации проницаемости также возможны благодаря геологическим особенностям мест размещения ТКО. В рамках настоящего проекта будет проведен комплекс исследований с помощью теоретической модели и численного эксперимента в сопоставлении с данными натурных и лабораторных измерений на действующих полигонах ТКО. Результаты проекта позволят создать и верифицировать теоретическую модель, применимую как для проведения прогнозного исследования эксплуатируемых в настоящее время мест хранения ТКО, так и для разработки новых полигонов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Паршакова Я.Н. , Висков М.В., Катаев Р.И., Картавых Н.Н. Численное моделирование миграции фильтрационных вод объектов размещения твердых коммунальных отходов через грунтовые защитные сооружения Вычислительная механика сплошных сред, Т. 17, № 2. C. 151–159 (год публикации - 2024)
10.7242/1999-6691/2024.17.2.14

2. Зубова Н.А. , Иванцов А.О., Висков М.В. Задача устойчивости фильтрата в пористой среде основания полигона твердых коммунальных отходов Сборник статей по материалам IX Всероссийской конференции "Пермские гидродинамические научные чтения" (4-6 октября 2023 г.), Издательский центр ПГНИУ, Пермь, С.157-162 (год публикации - 2023)

3. Паршакова Я.Н., Висков М.В., Катаев Р.И. Моделирование распространения фильтрата твердых коммунальных отходов через защитную дамбу Материалы 14-ой международной конференции – школы молодых ученых “Волны и вихри в сложных средах”,, С. 231-233 (год публикации - 2023)

4. Паршакова Я.Н., Иванцов А.О., Катаев Р.И., Висков М.В., Картавых Н.Н. Численная модель прогнозирования динамики фильтрата твердых коммунальных отходов при наличии грунтовых защитных сооружений Сборник: Enviromis 2024. Международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды. 2024. Томск. , С. 154-158 (год публикации - 2024)

5. Зубова Н., Иванцов А. Modeling of leachate propagation in a municipal solid waste landfill foundation Fluid Dynamics & Materials Processing, Vol. 20(6). P. 1407-1424 (год публикации - 2024)
10.32604/fdmp.2024.051130

6. Паршакова Я.Н., Иванцов А.О., Катаев Р.И., Картавых Н.Н., Висков М.В. Features of modeling the dynamics of leachate in the soil base of a municipal solid waste landfill Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024, С. 28-31 (год публикации - 2024)

7. Катаев Р.И., Паршакова Я.Н., Висков М.В., Картавых Н.Н. Моделирование динамики фильтрата полигона твердых коммунальных отходов при наличии грунтовых защитных сооружений Всероссийская конференция молодых ученых-механиков YSM-2024. Тезисы докладов (4 − 14 сентября 2024 г., Сочи, «Буревестник» МГУ). – М.: Издательство Московского университета, 2024, С. 64 (год публикации - 2024)

8. Паршакова Я., Катаев Р., Картавых Н., Висков М., Иванцов А. Influence of Self-Heating on Landfill Leachate Migration Fluids, 2024, 9(11), 263 (год публикации - 2024)
10.3390/fluids9110263

9. Паршакова Я., Картавых Н., Пьянкова М., Иванцов А. Predictive modelling of leachate transport in the foundation of solid waste landfill Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences, 589–597 (год публикации - 2025)
10.1007/978-3-031-88459-7_58

10. Висков М.В., Паршакова Я.Н., Кушнир Е.Д., Маргина Ю.М. Оценка воздействия санкционированных свалок твердых коммунальных отходов на подземные и поверхностные воды Недропользование, Т. 25, № 3. С.180-187 (год публикации - 2025)
10.15593/2712-8008/2025.3.7

11. Паршакова Я.Н., Катаев Р.И., Картавых Н.Н., Висков М.В. Modeling the leachate spread taking into account temperature increase in the body of a municipal solid waste landfill Физическое и математическое моделирование процессов в геосредах: Десятая международная научная конференция-школа молодых ученых; 23 - 25 октября 2024 г., Москва: Материалы конференции. – М.: ИПМех РАН, 2024, С. 26-28 (год публикации - 2024)

12. Ожгибесова Н.А., Иванцов А.О. Влияние проницаемости пород под полигоном твердых бытовых отходов на распространение фильтрата в его основании Неравновесные процессы в сплошных средах: материалы международного симпозиума: ФГАОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет». 2024. Пермь, С. 327-332 (год публикации - 2024)

13. Ожгибесова Н.А., Иванцов А.О. Распространение фильтрата в основании полигона твердых бытовых отходов Математическое моделирование в естественных науках : материалы XXXIII Всероссийской конференции (г. Пермь, 2–4 октября 2024 г.) / ФГАОУ ВО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет». – Пермь, 2024, С. 278-281 (год публикации - 2024)

14. Паршакова Я.Н., Катаев Р.И., Картавых Н.Н. Особенности численного моделирования распространения фильтрата в грунтовой толще основания полигона твердых коммунальных отходов Вычислительная механикасплошных сред, Т. 18. № 1. С. 86-98 (год публикации - 2025)
10.7242/1999-6691/2025.18.1.7

15. Катаев Р.И., Паршакова Я.Н., Висков М.В. Исследование распространения фильтрата от полигона твердых бытовых отходов при наличии нарушений целостности глиняного экрана Пермские гидродинамические научные чтения: матер. X Всероссийской конференции, посвященной памяти профессоров Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкого и Д.В. Любимова. – Пермь: Изд-во Перм. госуд. нац. исслед. ун-та, 2025, С. 201-205 (год публикации - 2025)

16. Паршакова Я.Н., Иванцов А.О., Катаев Р.И., Пьянкова М.А., Висков М.В. Интенсификация массообмена при нарушении изоляционного слоя полигона захоронения твердых коммунальных отходов Всероссийская конференция «XLI Сибирский теплофизический семинар», посвященный 75-летию академика РАН Алексеенко Сергея Владимировича. Новосибирск, 7–10 октября 2025 г. Тезисы докладов/ПФИЦ УрО РАН. –Пермь, 2025, с. 105 (год публикации - 2025)

17. Иванцов А., Картавых Н., Паршакова Я., Ожгибесова Н. Leachate migration in porous media under solid waste landfill J. Phys.: Conf. Ser. , 3027, 012076 (год публикации - 2025)
10.1088/1742-6596/3027/1/012076

18. Паршакова Я.Н., Висков М.В., Катаев Р.И., Картавых Н.Н. Исследование эффективности изоляции фильтрационных вод ТКО грунтовыми защитными сооружениями XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь, 24–28 февраля 2025 г. Тезисы докладов/ПФИЦ УрО РАН. –Пермь, 2025, с. 215 (год публикации - 2025)

19. Паршакова Я.Н., Иванцов А.О., Катаев Р.И., Картавых Н.Н., Висков М.В. Аспекты моделирования динамики фильтрационных вод в грунтовой толще основания полигона ТКО XХIV Зимняя школа по механике сплошных сред. Пермь, 24–28 февраля 2025 г. Тезисы докладов/ПФИЦ УрО РАН. –Пермь, 2025, с. 216 (год публикации - 2025)

20. Иванцов А., Ожгибесова Н., Картавых Н., Катаев Р., Паршакова Я. The seepage of leachate through porous layers with different values of fluid saturation Processes in GeoMedia (год публикации - 2026)

21. Иванцов А.О., Ожгибесова Н.А., Паршакова Я.Н. Влияние водонасыщенности пористой среды на миграцию фильтрата в основании полигона твердых бытовых отходов Пермские гидродинамические научные чтения: матер. X Всероссийской конференции, посвященной памяти профессоров Г.З. Гершуни, Е.М. Жуховицкого и Д.В. Любимова. – Пермь: Изд-во Перм. госуд. нац. исслед. ун-та, 2025, С. 188-191 (год публикации - 2025)

22. Паршакова Я., Катаев Р. Impact of Clay Liner Integrity Breaches on Leachate Migration in Municipal Solid Waste Landfills Processes in GeoMedia, Vol. IX., P. 435-449 (год публикации - 2025)
10.1007/978-981-96-9302-3

23. Катаев Р.И., Паршакова Я.Н. Влияние нарушений целостности глиняного покрытия на миграцию фильтрата на полигонах твердых бытовых отходов Тезисы докладов Всероссийской конференции молодых учёных-механиков, Сочи, 4-14 сентября 2025, С. 59 (год публикации - 2025)

24. Иванцов А., Висков М., Катаев Р., Ожгибесова Н., Князева Ж., Паршакова Я. Long-Term Performance of Natural Filtration Dams for Landfill Leachate Treatment Environments , Environments 2025, 12(12), 489 (год публикации - 2026)
10.3390/environments12120489

25. Паршакова Я.Н., Катаев Р.И., Картавых Н.Н., Висков М.В. Моделирование распространения фильтрационных вод с учетом повышения температуры в теле полигона твердых коммунальных отходов Всероссийская конференция «XLI Сибирский теплофизический семинар», посвященный 75-летию академика РАН Алексеенко Сергея Владимировича. Новосибирск, 7–10 октября 2025 г. Тезисы докладов/Институт теплофизики СО РАН. –Новосибирск, 2025, с. 94. (год публикации - 2025)

26. Иванцов А.О, Катаев Р.И., Паршакова Я.Н. Diffusive stabilization of density-driven instability in contaminated aquifers: Analytical and numerical study Physics of Fluids, Physics of Fluids 38, 034119 (2026) (год публикации - 2026)
10.1063/5.0309429

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате длительной эксплуатации полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) неизбежно возникают рельефные изменения основания тела полигона. Вследствие таких изменений под телом полигона могут образовываться понижения, в которых находится фильтрат без возможности стекания по дренажной системе. В случае нарушения целостности изоляционного слоя происходит процесс загрязнения подземных вод вследствие просачивания фильтрата в рельефных понижениях полигона ТКО. Разработана математическая модель массопереноса подземных вод и фильтрата в нижележащем водоносном горизонте. Результаты численного моделирования показали, что на начальном этапе фильтрат распространяется диффузионным образом, наблюдаемый профиль концентрации сопоставим с аналитическим решением для нелинейной диффузии, что позволяет оценить коэффициент эффективной диффузии. Затем вследствие развития неустойчивости Релея-Тейлора, возникают конвективные течения в виде вихревых структур, значительно увеличивающих скорость распространения фильтрата вглубь основания полигона ТКО. Происходит формирование концентрационных пальцев, пространственный размер которых увеличивается с течением времени и при достижении нижней границы системы становится порядка толщины нижнего слоя. Проведена серия расчетов с целью анализа необходимости учета техногенного слоя при проведении моделирования распространения фильтрата в основании полигона ТКО. Показано, что в случае учета слоя образования фильтрата в нем интенсивно развивается концентрационная конвекция, и при расширении расчетной области на тело полигона наблюдается проникновение конвективного течения в нижние слои основания полигона ТКО. В результате, в них значительно ускоряется развитие неустойчивости Релея-Тейлора и процесс транспорта примесей. Таким образом, исследование условий на границе тела и основания полигона показало необходимость расширения расчетной области в тело полигона ТКО при моделировании динамики фильтрата в грунтовой толще. В случае исключения тела полигона из математической постановки задачи распространения фильтрата, оценка скорости проникновения фильтрата будет заниженной. Кроме того, установлено, что с ростом глубины рельефного понижения полигона наблюдается увеличение скорости распространения фильтрата, в частности, при изменении уровня заполнения фильтратом от одного метра до четырех метров, количество поступившей в водоносный слой примеси увеличивается практически на порядок. Исследовано влияние нагрева в теле полигона на процесс миграции фильтрата твердых коммунальных отходов. Как известно, нагрев сверху в пористой системе, насыщенной жидкостью в поле силы тяжести, приводит к устойчивой стратификации, и развитие конвективных течений не происходит. При таких условиях должно наблюдаться замедление распространения загрязнений. С другой стороны, поскольку фильтрат является высококонцентрированным, то вязкость фильтрационных вод значительно снижается с ростом температуры, что может увеличить интенсивность распространения фильтрата. Трёхмерное численное моделирование распространения фильтрата, проведенное при нагреве в теле полигона от 40ºC до 70ºC показало, что при учете тепловыделения в теле полигона скорость распространения загрязнений возрастает. В результате решения линейной задачи устойчивости многокомпонентной жидкости в пористой среде при наличии изменяющегося внешнего градиента давления получена карта устойчивости фильтрационных течений многокомпонентной жидкости и построены поля скорости фильтрации вблизи порога устойчивости при различных концентрациях и температурах фильтрата в теле полигона. Показано, что тепловая конвекция в рассматриваемой системе не возникает, концентрационная конвекция возможна только при значительном увеличении проницаемости пористой среды (в пять и более раз). При этом, рост температуры фильтрата снижает границу устойчивости концентрационной конвекции вследствие уменьшения его вязкости. Проведено комплексное обследование территории в районе функционирующего полигона твердых бытовых отходов. Выполнена оценка воздействия объекта на окружающую среду в части взаимодействия фильтрационных вод с грунтовым основанием и подземными водами. Проведена оценка возможности применения фильтрационных дамб для первичной очистки фильтрационных вод объектов размещения отходов. Маркером распространения компонент фильтрационных вод является химический состав грунтов, из которых состоят геологические слои вблизи полигона ТКО. По результатам мониторинга, проводимого в процессе эксплуатации объекта, превышений концентраций загрязняющих веществ не выявлено. Для полноты понимания процессов миграции загрязняющих веществ пробурены скважины, после установления уровня грунтовых вод, произведен забор воды с последующим анализом. Из результатов анализа показателей сточных вод из скважин следует, что в процессе миграции стоков через фильтрующую дамбу наблюдается их значительное снижение, при этом до дамбы большинство показателей превосходят ПДК. В ходе проведения исследования выявлено, что организация фильтрующих дамб между каскадами прудов позволяет значительно снизить концентрации загрязняющих веществ.

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Построена модель миграции фильтрата через систему пористых сред с различной степенью водонасыщения. Основное внимание уделялось изучению влияния насыщенности пористой среды на возникновение и развитие гравитационной неустойчивости, которая является ключевым механизмом, определяющим перенос загрязняющих веществ в основании полигона твердых коммунальных отходов. Численное моделирование показало, что степень водонасыщения существенно влияет на характеристики плотностных структур типа пальцев. Парадоксальным образом, в условиях частичного насыщения, несмотря на снижение общей гидравлической проводимости, наблюдается более раннее возникновение и более интенсивное развитие пальцеобразных структур по сравнению с полностью насыщенными средами. Это усиленное развитие неустойчивостей в зоне аэрации приводит к более быстрому продвижению фронтальных контуров загрязнения, хотя общая объемная скорость миграции ограничена пониженной проницаемостью. По мере продвижения фронта загрязнения в полностью насыщенные зоны влияние условий насыщения в вышележащих слоях ослабевает. Влияние диффузии на развитие гравитационной неустойчивости в водонасыщенной пористой среде изучено с использованием модифицированного квазистационарного приближения в рамках линейного анализа устойчивости. Показано, что диффузия является стабилизирующим фактором, существенно задерживающим возникновение конвекции. Установлено, что неустойчивость развивается только после того, как толщина диффузионного слоя превышает определенное критическое значение, определяемое свойствами пористой среды и жидкостей. Для проверки аналитических результатов проведена серия численных экспериментов. Получено количественное согласование между аналитическими данными и результатами моделирования. В частности, расхождение в оценке критического времени начала развития неустойчивости составило менее 3%. Исследована фильтрующая способность системы двух дамб, верхняя из которых служит защитным экраном, предотвращающим проникновение фильтрата из пруда-отстойника за пределы полигона, а вторая является барьером, препятствующим растеканию фильтрационных вод, скапливающихся в рельефном понижении за пределами полигона. Скорость истечения фильтрата в пруд-отстойник найдена на основе измеренного в натурных изысканиях коэффициента фильтрации тела полигона. Основное направление распространения фильтрата наблюдается в горизонтальном направлении, при этом слои пористой среды характеризуются проницаемостью и пористостью равнозначной по вертикальному и горизонтальному направлению, т.е. являются изотропными пористыми средами. Изначально фильтрат распространяется в толщу верхней дамбы, двигаясь по естественному уклону основания полигона. За неделю после начала движения фильтрата заполняется край дамбы, расположенный вблизи пруда-накопителя. Через три недели непрерывной фильтрации в полностью увлаженной пористой среде фильтрат попадает в ярус, следующий за слоем экрана – алевролит. Дамба, предотвращающая растекание вод из озера, выступает в роли фильтрационного барьера так, что в вертикальном направлении перенос не интенсифицируется. Фильтрат начинает попадать в грунтовые воды через один год, причем попадает в отфильтрованном виде с концентрацией примеси на два порядка ниже той, что изначально была в пруду-отстойнике. С грунтовыми водами фильтрат достигает болота через три с половиной года в предельном случае максимального уровня осадков. Если уровень осадков будет соответствовать среднемесячной норме по сезонам, то фильтрат достигнет ближайшего болота за пределами полигона за тридцать лет. Натурные измерения подтверждают данные результаты. Проведено комплексное обследование территории в районе функционирующего полигона твердых коммунальных отходов. Выполнена оценка воздействия объекта на окружающую среду в части взаимодействия фильтрационных вод с грунтовым основанием и подземными водами. По результатам мониторинга, проводимого в процессе эксплуатации объекта, превышений концентрации загрязняющих веществ не выявлено. Для полноты понимания процессов миграции загрязняющих веществ пробурены скважины, после установления уровня грунтовых вод произведен забор воды с последующим анализом. Из результатов анализа показателей сточных вод из скважин и поверхностных вод следует, что в процессе миграции стоков через фильтрующую дамбу наблюдается значительное снижение концентрации загрязняющих веществ. Организация фильтрующих дамб из природных грунтов с устройством каскадов прудов-накопителей очищенного фильтрационного стока позволяет значительно снизить воздействие объектов на окружающую среду. Особенно актуально снижение воздействия объектов с большим сроком эксплуатации, построенных по старым нормативным требованиям. При нарушении целостности изолирующего слоя загрязнение подземных вод происходит за счет просачивания фильтрата в слои основания полигона. Нарушения представляют собой разрывы в слое суглинка, вытянутые в горизонтальном направлении. Результаты численного моделирования показали, что на начальном этапе распространение фильтрата происходит за счет диффузии. Затем, вследствие развития неустойчивости Рэлея-Тейлора, возникает конвективное течение в виде вихревых структур, которые обеспечивают подачу более чистой воды ближе к границе слоев основания и значительно увеличивают скорость проникновения фильтрата в его глубину. При размерах дефектов, существенно меньших толщины изолирующего слоя, регистрируется увеличение скорости распространения фильтрационных вод на 15–20% относительно нарушений, сопоставимых с толщиной слоя. При этом в присутствии перепада температуры от 10 до 70 градусов неустойчивость развивается вдвое раньше и интенсивнее с течением времени. С увеличением количества осадков уровень фильтрата в понижении, а соответственно и количество загрязнений, попадающих в слой алевролита, растет. Увеличение происходит так, что при изменении уровня заполнения понижения фильтратом в четыре раза количество поступившей в водоносный слой примеси становится больше практически на порядок. Проведено прогнозное моделирование распространения загрязнений от исследуемого объекта на временах, превышающих планируемый период работы полигона. При этом учитывалось, что изоляционный слой в подошве полигона имеет длительный, но все-таки ограниченный срок гарантийной эксплуатации. Получено, что попадание загрязнений в грунтовые воды не наблюдается даже через двадцать лет. Концентрация примеси на уровне грунтовых вод возрастет до значений, сравнимых с концентраций в теле полигона, через несколько сотен лет. При этом даже на таких временах, поток загрязняющих веществ в грунтовые воды оказывается пренебрежимо малым, а значительное загрязнение грунтовых вод возможно только на кратковременный промежуток времени при резком изменении уровня грунтовых вод.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанная в рамках работы над проектом модель миграции фильтрата от ТКО может быть использована в качестве высокоточного инструмента прогнозной оценки, что позволит усовершенствовать технологии экологического мониторинга и управления рисками на объектах размещения отходов. На основании прогнозируемых результатов проекта возможно осуществить переход от локального эмпирического контроля к комплексному прогнозному моделированию, что представляет собой качественно новый подход. Данный подход обеспечивает превентивное выявление зон потенциального риска для подземных водных объектов и экосистем в основании полигона ТКО.