Análise do transporte reativo de espécies químicas na zona saturada do solo através da Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC)

André Luiz da Silva

ORCID iD Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB), Santa Rita, Paraíba, Brasil

Fernando Fernandes Vieira

ORCID iD Universidade Estadual da Paraíba (UEPB), Campina Grande, Paraíba, Brasil

Resumo

Atualmente existe uma ampla preocupação com a contaminação das águas subterrâneas. Devido à necessidade de lidar com problemas dessa natureza, faz-se necessário o desenvolvimento de pesquisas que possibilitem o entendimento da propagação de poluentes em meios porosos, motivando a necessidade do incremento de modelos matemáticos e códigos computacionais que simulem o transporte reativo multiespécies. Neste trabalho, objetivou-se a implementação de um modelo matemático computacional para a simulação numérica da migração bidimensional transiente de poluentes na região saturada do solo, contemplando os mecanismos de advecção, sorção e reação química. O modelo matemático foi discretizado utilizando o método numérico dos volumes finitos e validado utilizando uma solução analítica para um meio semi-infinito saturado. Os resultados demonstram que uma fonte de contaminante injetada no meio poroso saturado, com geometria definida, migra gradualmente em direção à profundidade e à largura do meio, devido ao fluxo convectivo e difusivo, concomitante com retardo do poluente, induzido pela sorção na matriz sólida. A concentração de contaminantes no meio poroso saturado apresenta flutuações cíclicas, conforme dinâmica dos parâmetros e alterações dos perfis. Em relação à taxa de reação química, observou-se que quanto maior o valor do coeficiente de reação, menor a concentração e a profundidade que o poluente atingiu na zona saturada. O modelo computacional implementado apresenta uma ferramenta de apoio para a avaliação de impactos ambientais, sendo possível visualizar a extensão e o comportamento de uma pluma de contaminação e realizar inúmeras operações com baixo custo computacional, produzindo resultados numéricos aproximados dos fenômenos reais.

Palavras-chave


águas subterrâneas; meios porosos; modelagem matemática; simulação numérica; volumes finitos


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Referências


AHMADI, H.; KILANEHEI, F.; NAZARI-SHARABIAN, M. Impact of pumping rate on contaminant transport in groundwater – A numerical study. Hydrology, v. 8, n. 3, 103, 2021. DOI: https://doi.org/10.3390/hydrology8030103.

AHUSBORDE, E.; AMAZIANE, B.; EL OSSMANI, M.; MOULAY, M. Numerical modeling and simulation of fully coupled processes of reactive multiphase flow in porous media. Journal of Mathematical Study, v. 52, n. 4, p. 359-377, 2019. DOI: https://doi.org/10.4208/jms.v52n4.19.01.

ANTENOR, S.; SZIGETHY, L. Resíduos sólidos urbanos no Brasil: desafios tecnológicos, políticos e econômicos. Centro de Pesquisa em Ciência, Tecnologia e Sociedade. Center for Research in Science, Technology and Society – IPEA, 7 set. 2020. Disponível em: https://www.ipea.gov.br/cts/en/topics/217-residuos-solidos-urbanos-no-brasil-desafios-tecnologicos-politicos-e-economicos. Acesso em: 18 jan. 2022.

BANAEI, S. M. A.; JAVID, A. H.; HASSANI, A. H. Numerical simulation of groundwater contaminant transport in porous media. International Journal of Environmental Science and Technology, v. 18, n. 1, p. 151-162, 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/s13762-020-02825-7.

BEAR, J. Hydraulics of groundwater. New York: McGraw-Hill International Book Company, 1979.

BEAR, J.; CHENG, A. Modeling groundwater flow and contaminant transport. Berlin: Springer Science & Business, 2010.

CHEN, J.-S.; HO, Y.-C.; LIANG, C.-P.; WANG, S.-W.; LIU, C.-W. Semi-analytical model for coupled multispecies advective-dispersive transport subject to rate-limited sorption. Journal of Hydrology, v. 579, 124164, 2019. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2019.124164.

CHOQUET, C.; DIÉDHIOU, M. M.; EL DINE, H. N. Numerical analysis of a finite volume scheme for the optimal control of groundwater pollution. In: KLÖFKORN, R.; KEILEGAVLEN, E.; RADU, F. A.; FUHRMANN, J. (ed.). Finite volumes for complex applications IX - methods, theoretical aspects, examples: FVCA 9, Bergen, Norway, June 2020. Cham: Springer, 2020. p. 467-475. (Springer Proceedings in Mathematics & Statistics, v. 323). DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-43651-3_43.

COSTA, C. W.; LORANDI, R.; DI LOLLO, J. A.; SERIKAWA, V. S. Combinação de atributos naturais e antrópicos na definição do potencial de contaminação de aquíferos, Sudeste do Brasil. Sociedade & Natureza, v. 32, p. 603-619, 2020. DOI: https://doi.org/10.14393/SN-v32-2020-56221.

FETTER, C. W.; BOVING, T.; KREAMER, D. Contaminant Hydrogeology. 3rd. ed. Long Grove, Illinois: Waveland Press, 2017.

FORTUNA, A. O. Técnicas computacionais para dinâmica dos fluidos. 2. ed. São Paulo: EdUSP, 2000. (Coleção Acadêmica, v. 30).

HOLZBECHER, E. Environmental modeling: using MATLAB. Berlin: Springer, 2012. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-22042-5.

LIU, M.; MOSTAGHIMI, P. Numerical simulation of fluid-fluid-solid reactions in porous media. International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 120, p. 194-201, 2018. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.11.141.

LIU, Y. Y.; YANG, L. M.; SHU, C.; ZHANG, H. W. Three-dimensional high-order least square-based finite difference-finite volume method on unstructured grids. Physics of Fluids, v. 32, n. 12, 123604, 2020. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0032089.

MALISKA, C. R. Transferência de calor e mecânica dos fluidos computacional. 2. ed. Rio de Janeiro: Livros Técnicos e Científicos, 2014.

MOUTEA, O. E; AMRI, H. E. Combined mixed finite element and nonconforming finite volume methods for flow and transport in porous media. Analysis, v. 41, n. 3, p. 123-144, 2021. DOI: https://doi.org/10.1515/anly-2018-0019.

NAVEEN, J.; JAWAID, M.; VASANTHANATHAN, A.; CHANDRASEKAR, M. Finite element analysis of natural fiber-reinforced polymer composites. In: JAWAID, M.; THARIQ, M.; SABA, N. (ed.). Modelling of damage processes in biocomposites, fibre-reinforced composites and hybrid composites. Sawston: Woodhead Publishing, 2019. p. 1-18. DOI: https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102289-4.00009-6.

PERINA, T. Semi-analytical three-dimensional solute transport of sequentially decaying species with mobile-immobile regions, sorption, decay, and arbitrary transient source. Mathematical Geosciences, v. 54, p. 745-762, 2022. DOI: https://doi.org/10.1007/s11004-021-09975-5.

PRADITIA, T.; KARLBAUER, M.; OTTE, S.; OLADYSHKIN, S.; BUTZ, M. V.; NOWAK, W. Finite volume neural network: modeling subsurface contaminant transport. In: ICLR SIMDL WORKSHOP, 2021, On-line. Proceedings […]. [S.l.]: arXiv, 2021. p. 1-11. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2104.06010.

RAO, X.; ZHAO, H.; LIU, Y. A meshless numerical modeling method for fractured reservoirs based on extended finite volume method. SPE Journal, v. 27, n. 6, p. 3525–3564, 2022. https://doi.org/10.2118/210581-PA.

SARRAUTE, S.; HUSSON, P.; GOMES, M. C. Effect of the diffusivity on the transport and fate of pesticides in water. International Journal of Environmental Science and Technology, v. 16, p. 1857-1872, 2019. DOI: https://doi.org/10.1007/s13762-018-1815-7.

SHARMA, P. K.; MAYANK, M.; OJHA, C. S. P.; SHUKLA, S. K. A review on groundwater contaminant transport and remediation. ISH Journal of Hydraulic Engineering, v. 26, n. 1, p. 112-121, 2020. DOI: https://doi.org/10.1080/09715010.2018.1438213.

TANG, C.; ZHOU, W.; DU, Z.; CHEN, Z.; WEI, J. Numerical simulation of different-scale fracture effects on saturation distributions in waterflooding via the finite volume method. Energy, v. 244, Part A, 122573, 2022. DOI: https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.122573.

VASCONCELOS, A. Transporte de contaminantes em meios porosos saturados e não saturados. Estudo de caso: vazamento de gasolina. 2008. 189 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Geotécnica) – Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2008. Disponível em: https://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/2310. Acesso em: 18 jan. 2022.

VERSTEEG, H. K.; MALALASEKERA, W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. Harlow: Longman Scientific and Technical, 1995.


DOI: http://dx.doi.org/10.18265/1517-0306a2022id7355

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