Modeling of TNT transport from landmines

Abstract

The transport of Explosive Related Compounds (ERCs) has been studied as part of a research program aiming to the development of chemical sensors for detecting landmines. TNT and its degradation products typically make up the explosive charge in buried mines. The spatial and temporal distribution of concentrations of ERCs depends primarily on the mobility of the water phase. The fate and transport of TNT released from a landmine will somewhat determine the location of the maximum concentration of chemicals at the surface. Chemical detection on the other hand will specify such spatial location but the actual position of the land mines not necessarily will lie under such point. This assumption seems logical but has not been shown previously. In the first part of this work we developed 3D numerical simulations (using LaGriT and FEHM codes from Los Alamos National Laboratories) of the fate and transport of TNT released from a landmine subjected to environmental factors (such as rain precipitation, sun radiation, etc.) to serve as an example for this problem. The second part of this work is focused on the study of the environmental effects on the fate and transport of the chemical signature of TNT in soil. Experimental data were used for validating the numerical technique. Finally, an analytical approach to describe the fate and transport of TNT in soil was developed. This approach can be useful for experimental work, in particular for obtaining realistic physicochemical parameters of explosives. The model is based on the conservation equations applied to the vadose zone and predicts the concentration profiles of water and TNT as a function of time. Results of this analytical model are in close agreement with experiments and numerical simulations.

El transporte de los compuestos relacionados a los explosivos (ERCs por sus siglas en inglés) se ha estudiado como parte de un programa de investigación que apunta al desarrollo de sensores químicos para detectar minas terrestres. El TNT y sus productos de degradación componen típicamente la carga explosiva en minas enterradas. La distribución espacial y temporal de las concentraciones de ERCs depende principalmente de la movilidad de la fase acuosa. El destino y el transporte del TNT de una mina terrestre determinarán la localización de la concentración máxima de productos químicos en la superficie del suelo. La detección química por una parte especificará tal localización espacial, pero la posición real de las minas no necesariamente se encontrará bajo tal punto. Esta suposición parece lógica, pero no ha sido demostrada previamente. En la primera parte de este trabajo, desarrollamos simulaciones numéricas 3D (usando los códigos LaGriT y FEHM del Laboratorio Nacional de Los Alamos) del destino y transporte de TNT de una mina terrestre sujeto a factores ambientales (tales como lluvia, radiación solar, etc.) para servir como ejemplo de este problema. La segunda parte de este trabajo se centra en el estudio de los efectos ambientales sobre el destino y transporte de la firma química de TNT en suelo. Datos experimentales fueron utilizados para validar la técnica numérica. Finalmente, fue desarrollada una aproximación analítica para describir el destino y transporte de TNT en suelo. Esta aproximación puede ser útil para el trabajo experimental, particularmente para obtener parámetros físico-químicos realistas de explosivos. El modelo está basado en las ecuaciones de conservación aplicadas a la zona vadosa y predice los perfiles de concentración del agua y de TNT como función de tiempo. Los resultados de este modelo analítico están de acuerdo con experimentos y simulaciones numéricas.