The influence of blooding water and contamination on heat and mass transfer regime.pdf В Республике Саха (Якутия) река Лена является ос-новной артерией для перевозки груза в период навига-ции. Грузоприемные причалы, нефтебазы и другие насе-ленные пункты расположены на берегу реки и весноймогут затопляться паводковой водой. В 2001 г. уровеньводы, в результате образования затора льда, достиг мак-симальной отметки 2012 см над нулевым уровнем водо-мерного поста г. Ленска. Город был полностью затоп-лен, в том числе Ленская нефтебаза, обеспечивающаягорюче-смазочным материалом всю алмазодобываю-щую промышленность. Было повреждено 60 % резер-вуаров нефтебазы, при этом потери нефтепродуктов со-ставили 11267,1 тонн, из них 9225,1 т поступило в окру-жающую гидрогеологическую среду [1].Эксплуатация месторождений нефти, транспортиров-ка и его хранение в районах многолетней мерзлоты не-редко сопровождается аварийными ситуациями, одним изпоследствий которых является разлив нефтепродуктов.Например, по данным голландских экспертов IWACOна территории Западно-Сибирской нефтяной провин-ции загрязненная площадь составляет 700−840 тыс. га [2].В результате этого уничтожен растительный покров,нарушен поверхностный сток, изменились тепломассо-обменные условия на поверхности грунта.Проблемы миграции загрязняющих веществ в мерз-лые породы и их утилизации имеют актуальное значение.В районах криолитозоны, где мощности сезонно-талогослоя ограничены, интенсивность нефтяного загрязненияповышается. При этом основной особенностью нефтяногозагрязнения является формирование техногенной геохи-мической аномалии в самой верхней части водоносногопласта, что обусловливается меньшей плотностью нефте-продуктов. В пределах аномалии из-за неравномерностизагрязнения обычно выделяются три зоны [3]:− в первой зоне нефть находится в виде пленки(«плавающая линза»);− во второй (переходной) наблюдается образованиеэмульсии воды в нефти и далее по потоку − нефти в воде;− в третьей (зона окислительных условий) − под-земные воды содержат нефтяные углеводороды в рас-творенном состоянии.Отсюда следует, что в грунтах нефтепродукты на-ходятся в виде пленки и эмульсии, а также в раство-ренном состоянии. Основным механизмом переносанефтепродуктов двух последних видов является их ми-грация вместе с грунтовой водой.Выбор модели фильтрации определяется относи-тельным содержанием нефти и поровой воды в дисперс-ной среде. Когда содержание нефти в воде значительнодля описания движения смеси несмешивающихся жид-костей в пористой среде, необходимо использовать мо-дели теории многофазной фильтрации. В случае же, ко-гда нефть в поровой воде содержится в виде дисперги-рованной фазы (эмульсии) или в растворенном состоя-нии, миграцию загрязненной грунтовой воды можно опи-сать как фильтрацию однородной жидкости.В данной работе представлены модификация мате-матической модели теплосолевлагопереноса с учетомфазового перехода порового раствора в спектре темпе-ратур и результаты численного эксперимента при раз-личных мерзлотных условиях. Математическая модельпри профильной (в вертикальном разрезе) фильтрациив промерзающих - протаивающих мерзлых грунтахописывается следующей системой уравнений [4]:− ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ƒ  + ⎟⎠⎞ ⎜⎝⎛ƒ = ƒ 1zTz zr Tr rc T vvл ,в в ƒ+ ƒ−− W L zT V c rT c Vr z (1)1 л ,ф фвƒƒ− ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ƒƒ ƒƒ zH k z rHr r r k(2)( − ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ƒв 1 в вz W kzr Wr r r kW vvф cos ( ) ф sin ( ) л ).ƒƒ −ƒ −− Wzkzk(2*)( ) − ⎟⎠⎞⎜⎝⎛+ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ƒв в 1 в вzr z D Cr r r D CW С vv1 ( ) ( ) л л ,в в ƒ−ƒ−−− r r r VrC z VzC W С Nvv (3), ⎟⎟⎠⎞⎜ ⎜⎝⎛= ƒ −ƒk dN C N (4)( r , z )  ƒ , ƒ > 0, ƒ = [ 0, R ] ∗ [ 0, H ] ,где ( ск в в л л ) ск , с = с + с W + c W ƒ W =Wв +Wл ,в л , ƒ = ƒ + ƒ ( л ( в л) ( )) ,в лW ск i T ƒ + ƒ − ƒƒ ƒƒƒ =C = (WвСв + WвСл ) / 100, H = P − z,ф ф sin ( ) , ф ф cos ( ) . + ƒ+ ƒ = −ƒ− = k zP Vr k P k Vz kСистема уравнений (1)−(4) замыкается уравнениемколичества незамерзшей водыWнв Wнв(T, W, C) =и условием замерзания порового растворал з в . С k хC = (5)При этом можно задать следующие граничные ус-ловия:ф 1 ( , ), 0 , 0, = ≤ ≤ ƒ = ⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −− z R r r R zP k (6)ф 1 ( , ), 0 , , Z z R r r Q zP k = ≤ ≤ ƒ = ⎟⎠⎞⎜⎝⎛ −(7)⎩ ⎨ ⎧> ≤ ≤< ≤ ≤== , 0, 0 ,0, 0, 0 ,0 в, гф q T z ZT z Zz Pkr(8) (9)P = 0, r = R, b ≤ z ≤ b1 , (10)P = z − b1 , r = R, b1 < z < b2 , (11)где с − объемная теплоемкость грунта, Дж/(м3⋅К); Т −температура, К; ƒ − теплопроводность, Вт/(м⋅К); ƒ −время, с; L − удельная теплота фазового перехода,Дж/м3; W − суммарная влажность, % (масса всей влаги/масса скелета); ƒ − объемная влажность, % (отношениеобъема влаги к объему пор); H - напор, м; P − всасы-вающее давление влаги (м); r, z (ось z направлена вер-тикально вниз) − пространственные координаты, м; k −коэффициент диффузии, м2/с; kф − коэффициент филь-трации, м/с; D − коэффициент конвективной диффузиипримеси, м2/с; V = ( Vr, Vz ) − скорость фильтрации, м/с;Vr, Vz − компоненты скорости; Св,Сл − концентрациипримеси в воде и льду, %; ƒ − угол наклона поверхно-сти к горизонту; N − концентрация примеси в почвен-но-поглощающем комплексе, %; ƒ − коэффициент ско-рости обмена, 1/с; d k − коэффициент распределенияпримеси.Уравнение (1) учитывает процесс промерзания−протаи-вания порового раствора с учетом фильтрации жидкой фа-зы. Движение самого порового раствора (воды) с учетомльдовыделения описывается аналогичным уравнением па-раболического типа (2). Выражения (3), (5) характеризуютпроцесс солепереноса в промерзающих - протаивающихгрунтах. Выражение (2) называется потенциальной, (2*) -влажностной формами уравнения влагопереноса.На поверхности земли (верхней границе) можетбыть задано условие инфильтрации снеговой воды (пром-стока) или испарения (6), а в основании − граничноеусловие типа (7). На левой границе области может за-даваться как напор надмерзлотных грунтовых вод, таки условие непротекания (8). На правой границе задают-ся аналогичные граничные условия с учетом выносазагрязненной воды и напора сезонной динамики реч-ной воды (9)−(11). На участке выноса r = R, в ≤ z ≤ в1,задаются два условия: P = 0 и −(kф grad H) > 0, второеиз которых используется для определения верхней гра-ницы участка высачивания. На участке границы, гдепромсток V втекает внутрь области, а также на нагнета-тельных дренах (скважинах), задаются условия:(D grad S − VS)n = − VSv, (ƒ grad T − cвVT)n = cвVT,где Sv, Tv − концентрация и температура втекающегораствора. А на участках границы, где поток вытекает:(D grad S − VS)n = 0, (ƒ grad T − cвVT)n = 0.На поверхности сезонно-охлаждающих устройствзадаются T = const или (ƒ grad T)n = const.В неоднородной области моделирования с подзем-ным льдом могут быть заложены: различные открытыеповерхностные или закрытые теплые дрены; сезонно-охлаждающие устройства, которые образуют мерзлыепротивофильтрационные экраны (завесы).Уравнения теплопроводности и примеси содержатконвективные слагаемые. Конвективные члены могутбыть представлены в недивергентной (неконсерватив-ной) и дивергентной (консервативной) формах. Причисленном решении основное внимание уделяется во-просам аппроксимации конвективных слагаемых [4].Исследования влияния нефтяного загрязнения натеплофизические свойства мерзлых дисперсных пород,проведенные Р.Г. Мотенко и др. [5], указывают на то,что наблюдается понижение значений коэффициентовтеплопроводности загрязненных пород как в талом, таки в мерзлом состояниях, но для мерзлых пород это вли-яние гораздо существеннее. Для рассмотренных мерз-лых пород при значениях влажности, близких к полно-му влагонасыщению, это снижение может составить18−20 %, что, по-видимому, происходит из-за привнесе-ния в породу низкотеплопроводного углеводородногокомпонента, теплопроводность которого значительно ни-же значений теплопроводности других составляющих по-роды (исключая воздух). При нефтяном загрязнении ненаблюдается изменение функции количества незамерз-шей воды, но в зависимости от физико-химическихсвойств нефтепродуктов она может меняться. Подвиж-ность загрязненного раствора определяется коэффициен-том конвективной диффузии D(T, Wв, Wл, С), которыйзависит от вязкости нефтепродуктов через диффузионныеи фильтрационные свойства грунта [6]. Систему уравне-ний (1)−(3) расщепляем на цепочку одномерных нели-нейных задач, аппроксимируем неявной схемой направ-ленных разностей и решаем методом прогонки.Исходные данные для численногораспространения многолетней мерзлоты фильтрациейпаводковой воды можно пренебречь.Часть территории первого причала и строительныеплощадки причальных сооружений попадают в районраспространения островной мерзлоты («перелеток»)[7]. Поэтому данный вариант численного экспериментаотличается от предыдущего начальным распределени-ем температуры и суммарной влажностью грунта. Ди-намика формирования температурного (−1; −0,1; +2 С),влажностного (20; 29 %) режимов и концентрации неф-тепродуктов (0,0; 0,2; 2,0; 6,0 кг/м3) грунта после па-водка (конец мая) представлены на рисунке.абвРис. Распределения температуры (а), суммарной влажности (б) и примеси (в)при островной мерзлоте (май)R,м+2.0−0,1−1,0− 1,0;− 0,120202929Z,м6,02,00,20,0В зимний период при промерзании насыщенногогрунта вблизи русла реки образуется ледовый «пан-цирь», который является противофильтрационной за-весой во время весеннего паводка. Но за «панцирем»уровень грунтовой воды будет подниматься по законусообщающихся сосудов. Во второй половине летнегосезона, после протаивания ледового «панциря», загряз-ненная нефтепродуктами грунтовая вода будет посту-пать в речной сток. Осенью процесс промерзания на-сыщенного грунта здесь происходит с некоторым опо-зданием. Поэтому вынос загрязненного раствора будетнаблюдаться до промерзания грунта. Затем, в зимниемесяцы происходит процесс образования нового ледо-вого «панциря».В годичном цикле в весенний и осенний периоды на-блюдается интенсивный вынос загрязненных веществ.Весенний вынос можно объяснить следующим образом.В осенне-зимние месяцы при промерзании грунта идетпроцесс накопления влаги (техногенного раствора) вверхних горизонтах грунта. Весной при протаиванииснега влажность верхнего слоя увеличивается, и избы-точная грунтовая вода начинает дренировать по склонувниз. При этом техногенный раствор, который накопил-ся в осенне-зимний период, вместе со снеговой водойначинает мигрировать по склону вниз в сторону реки. Влетние месяцы вынос снижается, т.к. в районах Якутиипреобладает испарение. Вынос загрязненных веществ вэтот период осуществляется надмерзлотными водами,которые появляются за счет позднего протаивания грун-тового льда и поступления атмосферных осадков.Влажность грунта в осенний период увеличиваетсяза счет осенних дождей и при промерзании грунта про-цесс подтягивания незамерзшей воды к фронту промер-зания усиливается. При этом образуется избыточноедавление. За счет тепла, которое аккумулировалось влетние месяцы, в нижней части деятельного слоя грунтаидет процесс протаивания. Суммарный эффект мигра-ции грунтовых вод в результате двух вышеуказанныхпроцессов приводит к выносу нефтепродуктов к нижнейтеррасе реки в осенний период до полного промерзания.Результаты численного эксперимента показали, что су-щественную роль на вынос загрязненных веществ в реч-ную систему играют надмерзлотные грунтовые воды.Предложенные математические модели тепломас-сообмена можно применить для прогноза динамики за-грязнения и оценки эффективности заградительных со-оружений против паводка в промерзающих − протаи-вающих грунтах.

Скачать электронную версию публикации