Размещение отходов в условиях Черноморского побережья Кавказа

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 06.01.02 - «Мелиорация, рекультивация и охрана земель»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

РАЗМЕЩЕНИЕ ОТХОДОВ В УСЛОВИЯХ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАВКАЗА

КРАСОВСКАЯ С.П.

Москва - 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном университете природообустройства.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Сметанин Владимир Иванович ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гостищев Дмитрий Петрович, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства, профессор кандидат технических наук, доцент Евграфов Алексей Владимирович

ГНУ ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова РАСХН, ст. научный сотрудник

Ведущая организация: ОАО "МосводоканалНИИпроект"

Защита состоится 29 мая 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д220.045.01 при ФГБОУ ВПО МГУП «Московский государственный университет природообустройства» по адресу: Москва, ул. Прянишникова, 19, ауд. 201/1

С диссертацией можно ознакомиться в научно - технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет природообустройства»

Автореферат разослан 28 апреля 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Сурикова Т.И.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Размещение отходов по своей значимости среди экологических проблем вышло на первое место. Отходы оказывают негативное воздействие практически на все компоненты природной среды.

При многообразии способов утилизации отходов распространение получили: сжигание, биокомпостирование, захоронение и др. В мировой практике захоронение отходов на свалках и полигонах получило наибольшее распространение и применяется, практически, во всех климатических зонах на территориях с самыми разнообразными природными условиями. Однако, захоронение отходов часто осуществляется без учета важнейших факторов, лимитирующих процесс миграции загрязняющих веществ в активную часть геосферы - в почву, грунтовые и поверхностные воды, в атмосферный воздух. В европейских странах захоронение твердых бытовых отходов (ТБО) осуществляют, как правило, на полигонах, выполняемых в виде специальных инженерно-экологических сооружений, минимизирующих миграцию в природную среду загрязняющих веществ. В европейских странах на захоронение поступает 70…80%, на сжигание направляется 15…20% ТБО.

В России около 97% отходов размещаются на свалках и полигонах ТБО без предварительной сортировки. В Краснодарском крае свалки занимают более 1,5тысяч гектаров земель населенных пунктов и сельскохозяйственного назначения, на которых размещено около 163 млн. тонн отходов.

Нерациональное размещение отходов служит одной из главных причин ухудшения качества природной среды (ПС). Сложившаяся в стране ситуация с образованием, использованием, обезвреживанием, хранением и захоронением отходов ведет к необратимым процессам деградации ПС и ухудшению среды обитания человека, причем тенденция к ухудшению прогрессирует.

Следует отметить специфические особенности размещения отходов в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа. К основным особенностям данного региона можно отнести следующее: географическую вытянутость районов вдоль побережья; ограниченную пропускную способность транспортных артерий, протянувшихся вдоль побережья; природно-климатические условия; повышенные требования к санитарно-эпидемиологической обстановки в курортных местностях; увеличение затрат на обустройство мест размещения отходов в условиях горной местности и ограниченность в выборе территорий для их размещения; неравномерность образования отходов, связанную с сезонной деятельностью курортов.

Поэтому исследования специфики размещения отходов в условиях Черноморского побережья Кавказа являются актуальными.

Цель исследований - оценка степени негативного воздействия свалочных грунтов на компоненты природной среды (КПС) в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа и разработка мероприятий, направленных на минимизацию неблагоприятных экологических последствий в местах размещения отходов.

Задачи исследований

1. Изучение поквартального изменения норм образования и накопления ТБО в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа.

2. Обоснование методики прогнозирования объемов образования ТБО в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа.

3. Исследование воздействия отходов на КПС в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа (на примере свалки в пос. Лоо).

4. Исследование устойчивости свалочного тела, расположенного на склоновых землях с применением математических методов моделирования.

5. Разработка мероприятий, направленных на минимизацию неблагоприятных экологических последствий в местах размещения отходов.

Научная гипотеза. Свалки ТБО, расположенные в условиях Черноморского побережья Кавказа, в настоящее время перегружены и являются потенциальными источниками сосредоточенного распространения загрязняющих веществ. Для снижения негативного их воздействия на ОС основные природоохранные мероприятия должны быть направлены на обеспечение устойчивости свалочного тела за счет устройства противооползневого сооружения и перехвата образующегося фильтрата с отводом его для последующей утилизации.

Исследования выполнены на примере свалки ТБО в поселке Лоо, г. Сочи.

Методика исследований

Изучение проводилось по стандартным методикам лабораторных и полевых опытов, математической обработки полученных результатов. Моделирование устойчивости свалочного тела на склоновых участках земной поверхности выполнено с использованием расчетного комплекса программ «PLAXIS», сертифицированной в России (программа PLAXIS 3D, Version 2.0.246, реализующей метод конечных элементов). Достоверность полученных результатов оценивалась путем верификации (проверки, подтверждения, уточнения) теоретических зависимостей, результатов лабораторных и полевых опытов, результатов исследований, выполненных другими авторами. Химико-аналитический анализ отобранных проб выполнен в сертифицированной и аккредитованной лаборатории по стандартным методикам. Для изучения степени воздействия свалки на атмосферный воздух проводился отбор проб биогаза из скважин и шурфов. Отбор проб фильтрата осуществлялся в местах выклинивания фильтрата из свалочного тела. Пробы воды отбирались в трех створах: выше и ниже по течению реки Битха, а также в месте поступления свалочного фильтрата в реку.

Личный вклад диссертанта заключается в обосновании направления исследований, постановке задач, проведении полевых исследований и выполнении лабораторных анализов, математической обработке полученных результатов, их анализе, интерпретации и обобщении.

Научная новизна результатов, которые выносятся на защиту:

1. Впервые для условий Большого Сочи установлена и обоснована динамика поквартального изменения норм образования и накопления ТБО.

2. Предложена методика для инженерного прогнозирования накопления объемов ТБО во времени.

3. Дана оценка воздействия свалок на КПС в условиях Большого Сочи.

4. Выявлены закономерности образования фильтрата, биогаза и степень их воздействия на КПС.

5. Результаты исследования устойчивости свалочного тела, расположенного на склоновых землях, с применением математических методов моделирования для условий Большого Сочи.

6. Предложены мероприятия, направленные на минимизацию неблагоприятных экологических последствий в местах размещения отходов, включающие устройство противооползневого сооружения и системы дренажа.

Апробация работы. Основные результаты исследований доложены на 4-й международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах», проводившейся в Сочинском государственном университете туризма и курортного дела в 2006 г.; Общероссийской научной конференции с международным участием «Современные проблемы санаторно-курортных и рекреационных регионов России», проводившейся в Сочинском филиале Российского университета дружбы народов в 2006г.; Международном конгрессе по управлению отходами ВЭЙСТЭК, г. Москва, в 2006г.; Международных научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО МГУП, г. Москва, 2008, 2010г.г.

Публикации. Основное содержание диссертации, результаты исследований и рекомендации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе в изданиях рекомендованных ВАК РФ - 3.

Практическая значимость работы заключается в том, что результаты диссертационной работы могут быть использованы для определения динамики поквартального изменения норм образования и накопления ТБО с целью прогноза объемов образования ТБО курортов Черноморского побережья Кавказа. Материалы исследований устойчивости склоновых земель применимы при проектировании мероприятий по снижению негативного воздействия свалок на КПС, а также в учебном процессе студентами высших учебных заведений при изучении дисциплины «Рекультивация нарушенных земель» и выполнении выпускных квалификационных работ.

2. СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Диссертация отъемом 150 страниц печатного текста состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложений, списка литературы 109 наименований, в том числе 18 зарубежных авторов.

Во Введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, изложены методология и методика исследований, обоснованы научная новизна и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена общей характеристике региона, его специфике, исследованиям динамики поквартального изменения норм образования и накопления ТБО, их влиянии на КПС. Рассмотрены экологические критерии возможности размещения отходов в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа с учетом природно-климатических условий. Разработана методика прогнозирования образования ТБО во времени, что необходимо для обоснования требований к местам временного накопления и последующего размещения отходов на свалках и полигонах ТБО.

Особенностями региона являются: мягкий влажный климат с преобладанием положительных температур даже в холодный период года, отсутствие устойчивого снежного покрова. Район исследования характеризуется избыточным увлажнением. Этому благоприятствует горный рельеф и западная солнечная экспозиция склонов. Отличительной особенностью является ливневый характер выпадающих осадков. Основными экзогенными геологическими процессами в районе являются: выветривание горных пород, эрозионные процессы.

Уникальные природно-климатические условия определяют санаторно-курортное направление хозяйственной деятельности региона. В г. Сочи функционируют 220 учреждений лечения и отдыха, отелей и туристских баз различного уровня комфорта. Отрасли производственной и непроизводственной сферы региона ориентированы на туризм, отдых и лечение. В среде материального производства лидирующими является строительство, пищевая промышленность и сельское хозяйство.

Потоки туристов в Сочи оцениваются в 840…870 тыс. отдыхающих в год. В том числе около 500 тыс. человек приходится на летний период. На рис. 1 дана динамика изменения численности населения г. Сочи и количества ТБО по кварталам на примере 2006 года.

Для оценки объемов образующихся отходов в работе исследовались нормы их накопления.

При камеральной обработке результатов проводилась инвентаризация отдельных источников образования ТБО.

Рис. 1. Динамика изменения численности населения и количества ТБО по сезонам на примере 2006 года

В качестве расчетного периода принят 2006 - 2010 гг., так как за этот период по городу Сочи имелась наиболее полная и достоверная статистическая информация.

В диссертации исследовалось поквартальное накопление ТБО - для установления факта сезонной зависимости между общей численностью H населения (отдыхающие и постоянно проживающие) и количеством (накоплением) Q твердых бытовых отходов (ТБО), рис. 1.

Зависимость Q от Н исследовалась в следующей форме

Q = f(Н)+е,

где е - составляющая, отражающая влияние на f(Н) неизвестных факторов.

Для уяснения и уточнения физического смысла результатов статистического анализа при обосновании адекватности функции f(Н) исходным данным (по критерию «наилучшей функции») важно было правильно оценить математические возможности и методическую целесообразность применения тех или иных статистических методов при решении именно данной задачи.

Как известно, задача статистического анализа формулируется следующим образом. По результатам n измерений (X1, Y1), (X2, Y2), ..., (Xn, Yn) переменных X и Y найти такую функцию f(X), которая позволяла бы «наилучшим образом» находить значения результирующей переменной (отклика) Y = (y1, y2, ..., yn) по значениям X = (x1, x2, ..., xn) факториальной переменной - предиктора (предсказывателя).

При исследовании объемов накоплений ТБО применялись следующие статистические методы: дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализы. Для отработки методики исследований поквартальной зависимости в качестве характерного примера использовался 2006 г. Первоначально предполагалось, что зависимость между ТБО и Н близка к линейной. Для этого на рис. 2 по фактическим данным построена линейная функция регрессии

ТБО = 0,0923ЧН + 9,44,

для которой R2 = 0,8482 (r = 0,92103).

Здесь же на диаграмму нанесена и строго линейная функциональная зависимость ТБО от Н, вычисленная по среднегодовому значению ТБО/Н = 0,1067,

ТБО = 0,1067ЧН,

для которой, естественно, R2 = 1 (значение свободного члена в уравнении регрессии на рис. 2, равное -6Ч10-13).

На рис. 2 хорошо видно, что при использовании в годовом цикле среднегодового значения ТБО/Н линейная функциональная зависимость ТБО = ѓ(Н) очень близка к линейной функции регрессии, построенной для первичных исходных данных.

Рис. 2. Зависимость количества ТБО от численности населения Н

На рис. 3 дан пример подбора функции регрессии. Поквартальная линейная зависимость ТБО = ѓ(Н), построенная по среднегодовому значению ТБО/Н, сопоставляется с поквартальными фактическими значениями ТБО при различных функциях регрессии (использовалась линейная и полиномиальные функции - квадратная и кубическая параболы).

Кубическая парабола проходит точно по всем 4-м точкам фактических поквартальных значений ТБО (в силу того, что уравнение кубической параболы имеет тоже 4 параметра - три коэффициента при X и свободный член). Коэффициент детерминации R2 показывает, что формально именно эта функция регрессии является «лучшей» (R2 = 1), а «худшей» - как раз линейная (R2 = 0,8482), что явно противоречит физическому смыслу зависимости. Данный «мнимый парадокс» наглядно демонстрирует, как важно при исследованиях правильно оценить физический смысл результатов применения регрессионного анализа.

Так, на диаграмме чётко проявилась неоднородность выборки - из четырех значений ТБО, где одно из них (максимальное) явно выпадает из кластера - группы, объединяющего эти значения. Полиномиальные функции имеют тенденцию к сглаживанию кривой, которая практически точно прошла через точки в пределах кластера, чем и было здесь обусловлено образование «парадоксальной» кривой, не имеющей в данном случае физического смысла.

Рис. 3. Пример подбора функции регрессии

Для выявления причины, которая привела к отклонению статистической зависимости ТБО=ѓ(Н) от предполагаемой линейной, была построена диаграмма поквартальной зависимости ТБО/Н (ТБО на душу населения) от поквартальной численности населения Н, (рис. 4). С целью отражения поквартальной цикличности в изменении ТБО/Н на диаграмме добавлены смежные кварталы предыдущего года, и последующего года, полагая, что за эти отрезки времени существенных изменений в характере годовой цикличности произойти не могло.

Для сравнения показано поквартальное изменение значения ТБО/Н по первичным исходным данным (ТБО натур.) и по преобразованным (ТБО по среднеквартальному значению в годовом цикле).

Из диаграммы видно, что поквартальные отношения ТБО/Н в годовом цикле варьируют относительно среднегодового значения:

· максимум ТБО/Н приходится на 4 кв., минимум - на 2 кв.;

· различие между ТБО/Н по 1 кв. и 4 кв. незначительно;

· ТБО/Н по 3 кв. соответствует среднеквартальному значению в годовом цикле.

Рис. 4. Поквартальное изменение ТБО/Н в годовом цикле

Учитывая, что поквартальные значения ТБО/Н являются «существенно» дискретными величинами - суммарными квартальными значениями, а не выборками из гладкой функции, представление их сглаженной функцией лишено физического смысла.

Физический смысл квартальных значений ТБО/Н правильно отражает здесь именно дискретные значения (рис. 4).

Процесс поквартального накопления ТБО в полной мере отражает особенности жизни Сочи как курортного города:

кварталы 2 и 3 - курортный сезон. Это период, когда накопление ТБО связано (в основном) с эксплуатацией курортных и спортивных объектов, содержанием зданий и прилегающих к ним площадей, с обслуживанием отдыхающего населения, обеспечением его питанием и развлечениями, с работой торговой сети и пр. действиями, связанными с накоплением отходов.

Кварталы 1 и 4 - это подготовка города к приему отдыхающих.

Разработанная методика была проверена и использована для анализа накопления ТБО за период 2006 - 2010 гг. (рис. 5).

Результаты исследований поквартального распределения ТБО позволили существенно упростить методику прогнозирования годового накопления ТБО за счет предложенной в диссертации двухуровневой дискретизации процесса накопления.

Один из самых распространенных методов прогнозирования основан на экстраполяции - продлении в будущее тенденции, наблюдаемой в прошлом.

В основе этого метода лежат два важных допущения:

· развитие анализируемого явления можно с достаточным основанием характеризовать плавной кривой - трендом;

· общие условия, определявшие тенденцию в «прошлом», существенно не изменятся в «будущем».

Принимая во внимание возможность изменения с течением времени условий формирования накопления ТБО, данная инженерная задача прогнозирования годовых накоплений ТБО методом экстраполяции решалась следующими способами:

· разбиением непрерывного процесса на годовые дискретные значения, а годовые - на дискретные квартальные значения, что сохраняет условия, определяющие тенденцию развития процесса формирования годовых накоплений ТБО;

· отбрасыванием «хвостов» ряда с «устаревшими» годовыми данными, сформировавшимися при явно других условиях и способных исказить тенденцию в «будущем».

Рис. 5. Поквартальные изменения значений ТБО/Н в годовых циклах за период 2006-2010 гг.

· в случае, когда переход к новым условиям не имеет четко выраженной границы (происходит постепенно), эффективно применение вариантной корректировки длины дискретного ряда, отбрасывая «хвосты» «устаревших» годовых значений ТБО выборочно (по тем или иным соображениям, например, по установленным причинам, которые могли привести к изменению условий формирования годовых значений ТБО);

· выбором вида и корректировкой параметров уравнения.

По результатам исследований на основе применения функций регрессии составлялись прогнозы накопления ТБО на ближайшее будущее. На рис. 6 показаны результаты статистического прогнозирования до 2013 года с использованием исходных данных только за период с 2007 г. по 2010 г. (приём «отбрасывания устаревших данных» для обеспечения однородности выборки).

Сравнение линейной функции регрессии (R2=0,9714) и функции регрессии по квадратной параболе (R2 = 0,9764) показывает, что при незначительно отличающихся значениях R2 результаты прогноза на 2013 г. заметно различаются. Так, при линейной зависимости количество ТБО может достигнуть значения Q=387 тыс. тонн, а при параболической зависимости только Q=364 тыс. тонн, причем, достоверность аппроксимации во втором случае все же выше. Это и позволяет признать последнюю аппроксимацию более обоснованной.

Рис. 6. Прогноз на 3 года вперед (относительно 2010 г.).

(Использованы данные только за последние 2007-2010 гг.)

Во второй главе представлен обзор существующих технологических решений снижения негативного воздействия свалок на компоненты окружающей среды. Известны технологические приемы санации с изъятием свалочной массы для ее переработки и дальнейшего использования их в качестве вторичных ресурсов.

Упоминание в литературе о выемке и использовании отходов впервые появилось в 1953 г. на полигоне в Тель-Авиве. В 50-90 гг. в различных странах уже широко проводились работы по выемке и переработке свалочного грунта. В России также были примеры выполнения рекультивации свалок с выемкой свалочных грунтов с последующим перезахоронением на полигонах ТБО. Имеются также примеры разборки свалок с последующим изъятием утилизируемых фракций.

Имеет место также биологическое обезвреживание свалочных грунтов. Способ основан на возможности разрушения органических соединений бактериями и грибами. На эффективность процесса микробиологического разложения влияют температура и влажность свалочного тела, а также наличие кислорода, азота и фосфора - основных питательных веществ, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов. Однако это не способствует существенному уменьшению объемов размещенных отходов.

Термическое санирование. Используют при загрязнении свалочных грунтов смолами и нефтепродуктами. Для этого применяют передвижные установки в виде вращающихся трубчатых печей. Вредные примеси сначала выжигают при температуре 400…450 0С, а затем свалочный грунт прокаливают при более высокой температуре. Для очистки отходящих газов на установках предусматривают газоочистное оборудование. Эта технология связана с высокими энергетическими и материальными затратами. Учитывая особые требования к охране окружающей среды в курортных городах этот способ для Большого Сочи не приемлем.

Химический способ санации свалок. Способ основан на обработке отходов химическими реагентами с целью фиксации или химической иммобилизации вредных веществ. В процессе иммобилизации образуются нерастворимые в воде соединения.

Метод капсуляции включает устройство герметичных оснований и стен, с плотной изоляцией поверхности свалки. Метод эффективен для локализации и предотвращения распространения загрязнений, что позволяет устранить загрязнение поверхностных и грунтовых вод, почвы и атмосферного воздуха.

Значительный вред от свалок исходит от эмиссии в природную среду биогаза, который формирует негативные процессы, причем как локального, так и глобального характера. Так, биогаз является пожароопасной смесью и поэтому часто служит причиной возгорания ТБО на свалках. В составе биогаза доминирующими компонентами являются метан и углекислый газ, которые относятся к числу газов, создающий «парниковый» эффект.

Количество и состав биогаза зависит от множества факторов, основными из которых являются: климатические особенности расположения свалок, морфологический и химический составы отходов, условия складирования, влажность и плотность отходов, содержание в ТБО органической составляющей.

Важным направлением в управлении процессами дегазации свалок является сбор и утилизация свалочного газа.

В промышленно развитых странах обезвреживание биогаза осуществляют путем его использования в качестве альтернативного источника энергии.

Проблема загрязнения фильтратом поверхностных и грунтовых вод весьма актуальна. Для снижения негативного воздействия фильтрата на КПС предусматривают устройство противофильтрационных экранов, систем сбора и отвода фильтрата с последующей утилизацией. Накопление фильтрата в свалочном теле, расположенном на склоновых землях провоцирует потерю устойчивости склона в целом, приводящую к чрезвычайным ситуациям. В литературе упоминались случаи чрезвычайных ситуаций на открытых свалках в Сараево в 1977г., в Стамбуле в 1993г., в Адлерском районе г. Сочи.

Существенный вклад в изучение проблемы обращения с отходами и их безопасного захоронения внесли Абрамов Н.Ф., Вайсман Я.И., Гольцберг В.М., Карпенко Н.П., Коротаев В.Н., Лифшиц А.Б., Мирный А.Н., Потапов А.Д., Сметанин В.И., Сольский С.В. Щербина Е.В. и др.

Обзор существующих инженерно-технических решений, применяемых для снижения негативного воздействия свалок на КПС, показал, что решение проблемы для региона Большого Сочи обостряется повышенными экологическими и санитарно-эпидемиологическими требованиями, климатическими условиями, отсутствием свободных территорий, приемлемых для размещения объектов захоронения отходов, развитием оползневых процессов.

Анализ состояния проблемы позволил осуществить постановку и уточнить задачи диссертационного исследования.

В третьей главе представлены результаты исследований современного состояния территории, отведенной под размещение ТБО. Выявлен характер и получены количественные оценки размеров негативного воздействия отходов на почву, поверхностные воды, на загрязнение атмосферного воздуха. Изучен морфологический состав и влажность ТБО по сезонам года.

На процессы биодеструкции органической части отходов в толще свалочного тела влияют климатические условия, влажность, плотность, морфологический состав и температура отходов. Разложение органических фракций ТБО сопровождается интенсивным выделением в атмосферу свалочного газа. Основными компонентами которого, являются метан, диоксид углерода (углекислый газ), азот и кислород. Количество загрязняющих веществ, поступающих в атмосферный воздух от предприятий Большого Сочи составляет 5605,4 тонн/год. На долю парниковых газов приходится 39,6%. Исследования показали, что около 82% от всех парниковых газов приходится на окислы углерода, образующиеся при сжигании различных видов топлива. На втором месте (после окислов углерода) стоит метан, объемы выброса которого составляют 14%. Установлено, что около 43% от общего количества образующегося метана в г. Сочи приходится именно на свалки ТБО, что объясняется климатическими условиями Черноморского побережья Кавказа.

Для оценки газового поля свалочного тела в 60-ти точках, расположенных на расстояниях 10…15 м друг от друга, выполнена шпуровая съемка и на 15 газоотводящих скважинах исследованы пробы отходящего газа. Для проведения шпуровой съемки в шпур на глубину 0,6…0,8 м забивался перфорированный пробоотборник, присоединенный к портативному инфракрасному газоанализатору GA-94.A. Откачиваемый из шпура свалочный газ поступал в аналитическую ячейку, где определялось (в процентах от объёма закаченного газа) количество метана, углекислого газа и кислорода. отход природный свалочный земля

Инструментальный анализ проб из газоотводящих скважин выполнен электрохимическим и хроматографическим методами. Результаты исследований позволили установить следующие факты:

· в местах размещения газоотводящих скважин наблюдается снижение поступления метана с поверхности свалочного тела в атмосферный воздух, в то время как на участках, где газоотводящие скважины отсутствуют, поступление биогаза в атмосферный воздух с поверхности тела свалки идет значительно интенсивнее;

· наибольшая генерация биогаза наблюдалась на участках с наибольшей глубиной (мощностью) свалочного тела. На рис. 7 приведены карты распределения метана при шпуровой съемке и в местах газоотводящих скважин.

Динамика образования свалочного газа представлена на рис.8.

Серьезную опасность вызывает воздействие свалок на поверхностные воды из-за формирования в теле свалки антропогенных водоносных горизонтов. Основной источник поступления загрязняющих веществ в подземные и поверхностные воды - фильтрат как обладающий крайне выраженными токсичными свойствами.

Формируясь в теле свалки, фильтрат скапливается в нижней части склона массива ТБО. В районах, где преобладающими породами, подстилающими свалочное тело, служат суглинки и глины (обладающие слабой водопроницаемостью), часть фильтрата вытекает из свалочного тела, мигрируя с поверхностным стоком, попадая в водные объекты.

Важно отметить, что для Черноморского побережья Кавказа характерны динамичные изменения количества и качества фильтрата с сезонной цикличностью.

Для определения объема образующегося фильтрата были проведены исследования морфологического и фракционного состава, а также влажности отходов, поступающих на свалку в течение года. Анализ результатов исследования фракционного состава показал, что доминирующая по общей массе отходов (45%) - фракция 15…50мм. Здесь преобладают пищевые отходы, бумага, камни, стекло, пластик. Содержание влаги зависит от морфологического и химического состава отходов, доли органической части в отходах и от сезона года. Высокая общая влажность отходов является следствием значительного содержания в ТБО пищевых отходов (24,%).

Рис. 7. Карты распределения метана: а - карта распределения метана при шпуровой съемке, б- топографическая основа свалки, в - карта распределения метана в местах газоотводящих скважин

Таблица 1 Влажность ТБО г. Сочи

Влажность, % от общей массы
Весна	Лето	Осень	Зима
2	3	4	5
32,4	41,2	53	31,7



Рис. 8. Динамика образования свалочного газа на свалке ТБО п. Лоо

На основании полученных результатов была определена величина дефицита (или избытка) влаги для достижения полной влагоёмкости отходов.

Количество образующегося в течение года фильтрата определялось по формуле:

Qф = i=4У i=1 (giЧTiЧF - ДWiЧP/гф),

где Qф - количество образующегося фильтрата за год, м3; gi - расчетное значение инфильтрационного питания, м/сут; Тi - продолжительность квартала, сут; F - площадь свалки, м2; ДW - дефицит (или избыток) влаги, необходимой для достижения полной влагоемкости отходов, в долях; гф - плотность фильтрата, т/м3; Рi - масса поступающих на свалку отходов в течение времени Т, т.

Полевая влагоёмкость ТБО составляла 35 % от объема укладываемых отходов.

Расчетное значение gi инфильтрационного питания (м/сут).

gi=(Оi - Еi) ,

где Оi - количество осадков, выпадающих за квартал, приведенное к 10% обеспеченности, м; Еi - испарение с поверхности суши, м; T - время, сут.

Объем осадков, поступающих в течение года на свалку, определялся по формуле:

VО =i=4У i=1 Оi ЧF

Как показали исследования, в условиях рассматриваемого объекта, фильтрат (Qф) образуется в объеме более 95 тыс. м3/год.

С целью отражения сезонной зависимости Qф/VО была построена поквартальная диаграмма, рис. 9.

Рис. 9. Поквартальное изменение отношения Qф/VО в годовом цикле

Из диаграммы видно, что поквартальные Qф/VО в годовом цикле варьируют, при этом: максимум Qф/VО (1,55) приходится на 3 кв., когда объем фильтрата значительно выше объема поступающих осадков. Это связано с избытком влаги, необходимой для достижения отходами полной полевой влагоемкости ДW= 0,18, что является следствием большого объема поступающих отходов, характеризующихся высокой влажностью (53%). Высокую влажность отходов обеспечивают пищевые отходы, содержание которых в ТБО составляет 24%; различие между отношениями Qф/VО в 1, 2 и 4 кварталах незначительное.

По индексу загрязнения воды (ИЗВ) фильтрат классифицируется как сильнозагрязненные воды. Исследованиями свалки в п. Лоо установлено крайне высокое превышение нормативных показателей. По химическому составу фильтрационные воды свалки в п. Лоо можно отнести к фильтрационным водам, образующимся на стадии активного метаногенеза. В таблице 2 приведены показатели, характеризующие химический состав фильтрата ТБО по сезонам, образующегося в теле свалки в п. Лоо.

В качестве интегральной характеристики загрязнения воды использовались классы качества воды, оцениваемые по величинам индекса загрязненности вод (ИЗВ)

ИЗВ =

где Ci - среднее за год значение i-го показателя; ПДКi - предельно допустимая концентрация загрязняющего вещества; N - число показателей.

Дополнительно в число участвующих в расчете ингредиентов включены вещества, имеющие наибольшие относительные концентрации (отношение Ci/ПДКi). Для кислорода принято отношение ПДКi к Ci.

ИЗВ рассчитывался по 8 показателям, которые можно считать гидрохимическими. Часть фильтрата из свалочного тела выходит на рельеф, смешиваясь с поверхностным стоком, перемещается вниз по рельефу. Другая часть проходит в горные породы зоны аэрации и достигает уровня грунтовых вод. Объем выхода фильтрата на рельеф составляет 1,5…2,0 м3 /час (зима-весна) и 0,5-1,0 м3/час (лето-осень). БПК(полн) соответственно изменяется от 237 до 350 мгО2/л. Подобная закономерность прослеживается и по другим веществам.

Наблюдение за изменением химического состава поверхностных вод в р. Битха проводилось в трех точках. Фоновая точка №1 располагалась выше по течению, на расстоянии 100 м от точки поступления фильтрата. Точка наблюдения №2 расположена напротив тела свалки. В т. №2 вода имеет темно - бурый цвет и резкий неприятный запах. Точка наблюдения №3 расположена на расстоянии 100 м, ниже по течению, тела свалки. Отобранная вода бурого цвета и имеет также резкий запах.

Таблица 2 Характеристика химического состава фильтрата ТБО, образующегося в теле свалки п. Лоо

Определяемые показатели	Значения показателей мг/л (2009г.)	ПДК рыб./х	Превышение ПДКр.х., раз
	1 кв. (март)	2 кв. (июль)	3 кв. (сентябрь)	4 кв. (декабрь)
Температура	8,00С	22,40С	22,60С	12,70С
рН	6,97	7,28	7,8	6,52	6,5-8,5
БПК5	474	701	478	640	2,2	237…350
Нитрат-ионы	4,14	8,8	5,1	3,2	40
Нитрит ионы	0,90	0,71	0,55	1,2	0,08	6,8….15
Азот аммонийный	36,0	79	78	51	0,4	90..197,8
Фосфаты	0,54	1,5	3,8	3,6	0,05	10…76
Взвеш. в-ва	53,0	120	80	96
Ион цинка	0,069	0,16	0,11	0,05	0,01	5…16
Нефтепродукты	0,12	0,10	0,15	0,18	0,05	2….3,6
Ион меди	0,010	0,012	0,021	0,08	0,001	8…10
Железо общее	6,50	9,6	11	2,4	0,1	24…110
ОБЪЕМ СВАЛОЧНОГО ФИЛЬТРАТА, тыс. м3
	24,68	12,6	33,31	24,53

В основу исследований поверхностных вод, загрязнённых нефтепродуктами и некоторыми тяжелыми металлами, были положены результаты количественного химического анализа по данным мониторинга 2010г. На рис. 10 представлена диаграмма распределения концентрации загрязняющих веществ в контрольных точках.

По ИЗВ классификация воды в р. Битха характеризуется следующими показателями: т. №1- умеренно-грязная (ИЗВ 1,4); т. №2- очень грязная (ИЗВ 6,6), т. №3 - чрезвычайно-грязная (ИЗВ 12,9). Высокое значение ИЗВ=12,9 в точке 3 говорит о том, что большая часть загрязняющих веществ поступает с грунтовым стоком. Повышенное содержание в образцах воды меди, железа и цинка характерно для регионального фона.

Рис. 10. Диаграмма распределения концентраций загрязняющих веществ в р. Битха по данным мониторинга 2010-2011г.

Для оценки уровня химического загрязнения почв на прилегающей к свалке территории и на границе санитарно-защитной зоны применялся суммарный показатель загрязнения почвы (Zc), определяемый отношением фактического содержания определяемого вещества в почве (Сi, мг/кг почвы) к региональному фону (Сф, мг/кг почвы):

где n - количество загрязняющих веществ, используемых при расчете.

В результате анализа полученных значений установлено, что из 18 проанализированных проб почво - грунтов, 15 классифицируются как «допустимая» категория загрязнения (Zсумм=10…16); 3 пробы - «умеренно опасная» категория загрязнения (Zсумм = 16…17).

По валовому содержанию мышьяка, как вещества I класса опасности, 17 проб почв характеризуются опасной степенью загрязнения от 1ПДК до 8,5ПДК.

По валовому содержанию веществ III класса опасности (ванадий) почвы характеризуются умеренно опасной степенью загрязнения. Содержание ванадия - до 2ПДК. По марганцу отмечается превышение ПДК в 4 пробах из 18 - до 1,5 ПДК.

Источником поступления загрязняющих веществ в почву является выход фильтрата из свалочного тела на рельеф.

Одним из видов ответственности за ущерб окружающей среде является компенсационная ответственность, которая обозначает обязательство возместить ущерб путем компенсации вредных последствий, возникающих в результате воздействия на компоненты окружающей среды. Экологический ущерб является косвенным критерием оценки воздействия на природную среду и человека. Основой установления размера ущерба за размещение отходов на свалках являются следующие показатели: масса поступивших на размещение отходов, объем свалочного газа, объем фильтрата, классификация загрязняющих веществ, поступивших в КПС.

Формирование платы за негативное воздействие на окружающую среду при размещении отходов на свалке п. Лоо представлено на рис. 11.

Рис. 11. Формирование платы за негативное воздействие на окружающую среду при размещении отходов на свалке п. Лоо

В четвертой главе на примере свалки в поселке Лоо представлены результаты моделирования устойчивости свалочного тела, расположенного на склоне.

По инженерно-геологическим и гидрогеологическим условиям исследуемый район г. Сочи является крайне опасным по активности природных оползневых процессов. Гидрогеологические условия района свалки тесно связаны с рядом особенностей геологического строения массива в сочетании с климатическими особенностями. Это пестрота состава и генезиса четвертичных отложений, значительная крутизна склонов, большое количество и особый характер выпадения осадков, продолжающиеся геологические процессы.

В рассматриваемом районе наблюдаются следующие типы подземных вод:

· грунтовые воды делювиально-оползневых масс и аллювиальных отложений;

· трещинно-пластовые воды элювиальной толщи;

· воды морских отложений.

Режим подземных вод в самом теле оползня может по-разному влиять на устойчивость оползневых склонов.

При наличии на оползневых склонах напорного водоносного горизонта (или при высокой вероятности его проявления) гидростатическое давление будет оказывать на грунт выпирающее действие, что может стать одной из причин резкого (мгновенного) уменьшения сопротивления грунта сдвигу, особенно в случае нарушения грунтового массива ниже по склону. Это существенно затрудняет инженерный прогноз поведения массива.

Очевидно, что под действием уже идущих природных оползневых процессов всегда существует опасность их естественного развития.

Для оценки опасности возможного нарушения устойчивости склона решалась упруго-пластическая задача в пространственной постановке (рис.12). Применялся расчетный комплекс программ «PLAXIS», сертифицированный в России (программа PLAXIS 3D, Version 2.0.0.246), реализующий метод конечных элементов и предназначенный для геотехнических расчетов, включая деформации и устойчивость склонов, а также широкого круга других задач.

Рис. 12 Расчетная 3D модель. Свалка и противооползневое сооружение

При математическом моделировании устойчивости свалки в посёлке Лоо размеры расчётной области грунтового массива задавались таким образом, чтобы не происходило каких-либо физически необоснованных (побочных) изменений в напряженно-деформируемом состоянии массива. Процесс численного моделирования состоял из следующих этапов:

Построение расчетной области с учетом грунтовых слоев и размещением инженерных сооружений, находящихся в массиве.

Задание прочностных и деформационных характеристик для грунтов и элементов существующих и возводимых сооружений.

Введение граничных условий.

Генерирование (создание) конечно-элементной сетки.

Определение начального бытового напряженного состояния грунтового массива.

Ввод этапов моделирования (последовательности загрузки отходов свалочного тела и устройства противооползневого сооружения).

Моделирование устойчивости оползневого склона выполнено на моделях в естественном состоянии склона и с учетом догрузки его до «критической отметки», при которой возможна потеря его устойчивости, а также моделирование склона с учетом устройства противооползневого сооружения. На рис. 13, 14 приведены результаты моделирования устойчивости склона с дозагрузкой свалочного тела и устройством противооползневого сооружения.

Рис.13. Состояние подконтрольного массива

Подпорная стена выполнена в виде железобетонной (бетон марки В25) несущей системы толщиной 600 мм, глубиной 14 м, расположенной в устойчивой части массива (которую можно возвести, например, методом буросекущихся свай), обеспечивает необходимую защиту свалки против сползания её в реку Битха.

В связи с этим в диссертационном исследовании помимо возведения противооползневого сооружения предлагается в основании свалочного тела устройство дренажной системы, состоящей из дренажных труб диаметром 0,15 м, проложенных с уклоном 0,003 в сторону естественного понижения рельефа.

Рис.14. Изополя полных смещений массива. Cклон и противооползневое сооружение (ПС)

Отвод фильтрата рекомендуется производить в накопительную емкость с последующей утилизации. В засушливый пожароопасный период фильтрат можно использовать для увлажнения верхней толщи свалочного тела.

Как показали исследования поквартального накопления отходов в курортных городах в 1 и 4-й кварталы образуются большие объемы строительных отходов, в 2 и 3-й - отходы потребления. В связи с этим для повышения устойчивости свалочного склона предлагается отходы, образующиеся в 1 и 4-м кварталах отсыпать на картах укладки ТБО, расположенных ближе к ПС. Отходы, образующиеся в 2 и 3-м кварталах на картах, удаленных от ПС.

В период строительства противооползневого сооружения и в дальнейшем (при эксплуатации свалки) необходимо организовать мониторинг для контроля текущего состояния данного сооружения с целью своевременного обнаружения (выявления) возникновения и развития опасных деформаций и подвижек, как в самом теле свалки, так и в природном склоне ниже подпорной стены.

ВЫВОДЫ

1. Изучение поквартальной интенсивности накопления отходов на душу населения (ТБО/Н) в условиях курортных городов Черноморского побережья Кавказа показало, что квартальная интенсивность накопления отходов в годовом цикле варьирует относительно среднегодового значения и зависит не только от изменения общей численности населения, но и от вида хозяйственной деятельности в разрезе года. Например, 1 и 4-й кварталы - мало отдыхающих, но большие удельные нормы накопления (подготовка к приему отдыхающих), 2 и 3-й - много отдыхающих, но меньшие удельные нормы накопления отходов (курортный сезон).

2. Методологическая идея, заложенная в предлагаемой методике прогнозирования, состоит в том, что общий процесс накопления ТБО во времени рассматривается как «существенно» дискретный. Процесс накопления ТБО делится на годичные циклы, в пределах которых ведется исследование характера поквартального накопления ТБО в течение года, а прогнозирование общего накопления ТБО осуществляется далее по годовым значениям. При этом двухуровневый метод дискретизации позволяет использовать при прогнозировании плавные траектории тренда, что существенно облегчает решение задачи прогнозирования, когда заведомо известно, что условия формирования тренда во времени могут заметно изменяться. Наиболее достоверной аппроксимацией в данном случае является квадратная парабола (R2=0.976).

3. На основе анализа воздействия свалочных грунтов на КПС установлена зависимость количественных и качественных характеристик фильтрата и биогаза от природно-климатических условий, динамики сезонного поступления отходов, их состава и свойств. Избыточное увлажнение, преобладание положительных температур даже в холодный период года, большая доля поступающих отходов, характеризующихся высокой влажностью, создают благоприятные условия для образования анаэробной области в свалочном теле, что сопровождается интенсивным протеканием процессов метаногенеза с круглогодичным образованием биогаза и фильтрата.

4. При моделировании устойчивости склона определены критические параметры массива, при которых возможна потеря его устойчивости и подобрана модель противооползневого сооружения, способного обеспечить устойчивость склона.

Для уменьшения поступления загрязняющих веществ в КПС и снижения гидростатического напора в основании свалочного тела в диссертационном исследовании предлагается устройство дренажной системы, состоящей из дренажных труб диаметром 0,15 м, проложенных между противооползневым сооружением и низовой подошвой свалочного тела с уклоном в сторону естественного понижения рельефа.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Красовская, С.П. О проблеме утилизации и управления отходами г. Сочи. [Текст] / Н.К. Гудкова, С.П. Красовская // Материалы международной научной конференции «Современные проблемы санаторно-курортных и рекреационных регионов России». Научно-теоретический журнал «Успехи современного естествознания» - М.: Академия естествознания. - 2006. - №9. - С. 36-37. - ISSN 1681-7494.

2. Красовская, С.П. Особенности экологического мониторинга мест захоронения твердых бытовых отходов в условиях Черноморского побережья России [Текст] / М.Г. Оноприенко, Н.К. Гудкова, С.П. Красовская // Материалы 4-й международной научно-практической конференции «Строительство в прибрежных курортных регионах». - : СГУТиКД. - 2006. - С.36-42.

3. Красовская, С.П. Особенности захоронения твердых бытовых отходов в условиях Черноморского побережья России. [Текст] / С.П. Красовская, В.И. Сметанин // Материалы международной научно-практической конференции «Проблемы развития мелиорации и водного хозяйства и пути их решения». Ч. IV «Водные объекты: состояние, проблемы и пути решения». - М.: МГУП. - 2011. -С. 252 - 260. - ISBN 978-589231-359-9.

4. Красовская, С.П. Воздействие полигонов ТБО на экологическую обстановку Черноморского побережья [Текст] / С.П. Красовская, В.И. Сметанин // Производственно-технический и научно-практический журнал «Водоочистка. Водоподготовка. Водоснабжение». -2009. - №6(18). - С. 58-62.

5. Красовская, С.П. Исследование свалок городских отходов в условиях Черноморского побережья Кавказа и особенности их рекультивации [Текст] / С.П. Красовская, В.И. Сметанин //Мелиорация и водное хозяйство. - 2010. - № 2. - С. 23-25.

6. Красовская, С.П. Оценка воздействия строительства автомагистрали на водные объекты в городе Сочи [Текст] / В.И. Сметанин, С.П. Красовская, И.В. Мелихова, Е.В. Щекудов // Научно-практический журнал «Природообустройство». - 2011. - №5. - С. 21-25.

7. Красовская, С.П. Динамика образования и накопления отходов производства и потребления в курортных городах Черноморского побережья России [Текст] / С.П. Красовская, В. И. Сметанин, Е.В. Щекудов, Л.А. Воробьев // Научно-практический журнал «Природообустройство». - 2012. - №1. С.7-13.

Размещено на Allbest.ru

...