Геоинформационная система мониторинга нарушенных твердыми бытовыми отходами земель для условий Саратовского Левобережья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Геоинформационная система мониторинга нарушенных твердыми бытовыми отходами земель для условий Саратовского Левобережья

Д.А. Крашенинников, Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова

Аннотация

Целью исследований являлась разработка системы геоинформационного мониторинга земель, нарушенных свалками и полигонами твердых бытовых отходов, для условий Среднего Поволжья. Исследования по обоснованию состава и структуры программно-информационного обеспечения ГИС-мониторинга проводились в 2015-2016 гг. в сухостепной зоне Саратовского Заволжья. Объекты исследований - элементы системы обращения твердых бытовых отходов в Советском муниципальном районе Саратовской области (санкционированная свалка твердых бытовых и коммунальных отходов, мусороперегрузочная станция).

Установлено, что основным методом обращения с твердыми бытовыми отходами в Саратовском Заволжье является их захоронение, причем количество несанкционированных мест такого захоронения существенно превышает число санкционированных свалок и лицензированных полигонов. В результате полевых экологических изысканий, а также изучения архивных материалов администрации Советского района Саратовской области за 2010 и 2012 гг. выявлено, что образующийся в теле свалки фильтрат является высокотоксичным загрязнителем окружающей среды, вкотором в отдельные периоды содержание Cr в 1,2 раза, Mn и Zn в 1,4 раза, фосфатов в 9,7 раза, оксидов азота в 22,1 и 174,3 раза, иона аммония в 287 раз, нефтепродуктов в 580 раз, сульфат-ионов в 146 раз и хлор-ионов в 2057 раз превосходит предельно допустимые концентрации.

Для предотвращения загрязнения компонентов окружающей среды и ухудшения экологической обстановки наприлегающих к свалкам и полигонам землях предложена система ГИС-мониторинга, состоящая из цифровой карты наблюдаемой территории (18 векторных слоев), атрибутивной базы результатов наблюдений (10 реляционных файлов), цифровых трехмерных моделей рельефа и уровня грунтовых вод (в формате триангуляционной нерегулярной сети), математических динамических моделей миграции свалочного фильтрата (влагопереноса), средств геоинформационной обработки (интерполяции) данных.

Ключевые слова: охрана земель, экологические изыскания, твердые бытовые отходы, полигоны для хранения твердых бытовых отходов, геоинформационная система мониторинга свалок и полигонов твердых бытовых отходов.

Abstract

The aim of research was to develop a system of GIS-monitoring of lands disturbed by dumps and solid waste landfills for the conditions of the Middle Volga region. The studies to substantiate the composition and structure of software and information support for GIS-monitoring were conducted in 2015-2017 in the dry steppe zone of Trans-Volga region. The objects of research are the elements of the solid waste circulation system in Soviet municipal district of Saratov Trans-Volga region (authorized landfill of solid household and municipal waste, a waste transshipment station). It is found that the main method of solid domestic waste management in the Left Bank of Saratov Region is their burial and the number of unauthorized places of such burial significantly exceeds the number of authorized dumps and licensed landfills. As a result of field environmental surveys, as well as studying archive materials of the administration of the Soviet district of Saratov region carried out in 2010 and 2012 it was found out that the filtrate formed in the dump body is a highly toxic pollutant of the environment, in which in some periods the Cr content by 1.2 times; Mn and Zn by 1.4 times; phosphate by 9.7 times; nitrogen oxides by 22.1 and 174.3 times; ammonium ion by 287 times; oil products by 580 times; sulfate ions by 146 times and chlorine ions by 2057 times exceed the maximum permissible concentrations. To prevent contamination of environmental components and deterioration of the environmental situation in adjacent landfills and dumps, the GIS monitoring system consisting of a digital map of the observable territory (18 vector layers), an attributive database of observation results (10 relational files) digital three-dimensional models of the relief and groundwater level (in the triangular irregular network format), mathematical dynamic models of landfill filtration (moisture transfer), geoinformation processing (interpolation) data was proposed.

Keywords: land protection, environmental surveys, solid domestic waste, landfills for solid domestic waste storage, GIS-monitoring of dumps and solid household waste landfills.

В Российской Федерации ежегодно производится около 63 млн т твердых бытовых отходов (ТБО), что составляет 0,445 т, или до1,4 м³, в среднем на одного человека. Уровень утилизации бытовых отходов в нашей стране не превышает 5 %, однако состав ТБО (41 % пищевые отходы, 35 % бумага и картон, 9 % текстиль, 8 % стекло, 4 % металлы, 3 % пластмассы) [1] и зарубежный опыт показывают, что при рациональной организации переработки мусора этот показатель вполне может составить 90 % [2].

Главным методом обращения с ТБО в России является складирование их на свалках и полигонах. По данным Росприроднадзора [3], на начало 2010 г. в России зафиксировано 1699 санкционированных полигонов и 5243 самовольных свалки ТБО.

Аналогичная ситуация в области обращения с ТБО существует и в Саратовской области. Здесь ежегодно образуется порядка 0,8-1,0 млн т ТБО, которые в основном вывозятся на полигоны и свалки [4]. На 2015 г. в Саратовской области было 652 объекта размещения ТБО, в т. ч. лицензированных полигонов 22, санкционированных свалок 381, самовольных свалок 249, причем 157 из них, или 63 %, расположено в левобережных районах области (рисунок 1). Обустройство большинства свалок ТБО не отвечает санитарным и экологическим требованиям.

Такая система обращения с ТБО является очень экологически опасной, потому что свалки являются выраженными техногенными геохимическими аномалиями по отношению к подстилающим породам, почвам окружающих территорий, подземным и поверхностным водным объектам, атмосферному воздуху и служат источниками сильного загрязнения этих компонентов окружающей природной среды.

В результате происходящих в толще свалки процессов сбраживания, гумификации органического вещества, деполимеризации, сульфатредукции и других процессов образуется уникальный по своей токсичности раствор - свалочный фильтрат. Его минерализация достигает нескольких десятков граммов на литр. Он характеризуется высокими концентрациями тяжелых металлов, а также ионов хлора и аммония и способен в результате своей миграции с поверхностным стоком, внутрипочвенным перемещением влаги значительно загрязнять породы основания свалки и грунтовые воды.

Рисунок 1 - Распределение полигонов и свалок ТБО по территории Саратовской области

Помимо фильтрата в теле свалки ТБО образуется свалочный газ, или биогаз,- экологически опасная смесь метана, сероводорода, меркаптана и других газов. Он не только загрязняет атмосферный воздух, но и достаточно часто загорается, вызывая пожары на свалках, которые сопровождаются образованием токсичных продуктов горения отходов и компонентов биогаза [5].

Экологическая опасность и повсеместное распространение полигонов и свалок ТБО вызывают настоятельную необходимость в совершенствовании системы обращения ТБО, направленном на снижение негативного воздействия их на окружающую среду. Этот процесс немыслим безразработки и внедрения современных систем мониторинга составляющих системы обращения ТБО (объектов захоронения, переработки, транспортировки), которые целесообразнее всего осуществлять на основе геоинформационных технологий.

Материалы и методы. Исследования проводились в 2015-2016 гг. в сухостепной зоне Саратовского Заволжья на землях Советского муниципального района.

Объекты исследований - элементы системы обращения ТБО в Советском муниципальном районе Саратовской области (санкционированная свалка твердых бытовых и коммунальных отходов, мусороперегрузочная станция).

В работе использовались такие экспериментальные методы, как полевые экологические изыскания, космическое зондирование земной поверхности. Наряду с ними применены такие теоретические методы исследования, как системный и геоинформационный анализ, математическая статистика. Полевые эксперименты и обследования мест захоронения ТБО проводились согласно принятым методикам [6]. Для изучения химического состава неорганических и органических веществ в фильтрате тела свалки использовались результаты экологических изысканий Саратовского филиала АО «ДАР/ВОДГЕО», а также архивные материалы администрации Советского района Саратовской области за 2010 и 2012 гг.

Разработка системы мониторинга нарушенных ТБО земель основывалась на принципах непрерывности, единства целей и задач исследований, системности, достоверности и оперативности, комплексности, локальности, геопространственности, иерархичности, темпоральности, сопряженности. Атрибутивная база данных ГИС-мониторинга создавалась сучетом требований нормализации баз данных. Слои цифровой карты разрабатывались в системах координат WGS-84 и Гаусса - Крюгера в формате векторных шейп-файлов (shape) и покрытий (coverage), поддерживаемых системами ArcGIS и GeoServer, трехмерные модели рельефа - в виде нерегулярных триангуляционных сетей (TIN) [7].

Результаты и обсуждение. В результате экологического мониторинга состава фильтрата свалки твердых бытовых и коммунальных отходов пос. Степное Советского муниципального района Саратовской области обнаружено высокое содержание многих поллютантов в свалочном фильтрате и его существенное варьирование в сезонной и годовой динамике (таблица 1).

Таблица 1 - Динамика содержания поллютантов в фильтрате тела свалки твердых бытовых и коммунальных отходов пос. Степное Советского муниципального района Саратовской области

Из данных таблицы 1 видно, что из содержащихся в фильтрате тела свалки загрязнителей особую опасность представляют органические и биогенные поллютанты, а также хлор- и сульфат-ионы, содержание которых превышает ПДК в отдельные периоды в десятки и сотни раз. Особый интерес представляет такой показатель, как химическое потребление кислорода (ХПК), который характеризует содержание в воде трудноокисляемых химических соединений [9]. Он превышает ПДК в отдельные периоды в тысячи раз. По неорганическим загрязнителям незначительное превышение допустимого содержания в отдельные периоды отмечено для марганца, цинка и хрома. Значительные различия в концентрации химических веществ в фильтрате тела свалки в рассматриваемый период ее функционирования обуславливаются разницей в составе складируемых отходов и изменениями водного и температурного режима тела свалки, связанными сменяющимися погодными условиями.

Разрабатываемая нами система ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель предназначается для решения двух основных задач: первая - контроль состояния объектов обращения отходов (свалок и полигонов, мусороперегрузочных станций, мусороперерабатывающих комплексов) и прилегающих к ним территорий; вторая - прогнозирование влияния ТБО, сосредоточенных в местах захоронения, переработки, транспортировки, на окружающую среду.

В свете необходимости решения этих задач было разработано информационное обеспечение системы ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель. В его состав вошли:

-цифровая карта наблюдаемой территории;

-атрибутивная база результатов наблюдений (АБД);

-цифровые трехмерные модели рельефа местности и уровня грунтовых вод;

-математические модели миграции свалочного фильтрата;

-способы и средства геоинформационной обработки данных.

В состав векторных слоев цифровой карты ГИС-мониторинга, векторизация которых проводилась с помощью приложения ArcMap программного комплекса ArcGIS DeskTop (уровень ArcInfo высший) по экранной растровой подложке, вошли 18 шейп-файлов и покрытий (таблица 2, рисунок 2).

Атрибутивная база данных ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель состоит из внутренних атрибутивных таблиц векторных слоев цифровой карты и 10 внешних реляционных файлов (таблица 3), подключающихся к слоям через кодовые поля связи с помощью операции «Join».

В процессе создания системы ГИС-мониторинга в АБД нами была заложена основа для сбора, хранения и использования в целях прогнозирования постоянной и переменной информации. В состав этой информации входят природно-климатические условия, в т. ч. температурный и ветровой режим, количество и распределение осадков, почвы, подстилающие породы, поверхностные и подземные водные объекты, гидрогеологические особенности территории (уровень залегания и минерализация грунтовых вод), данные экологических и мелиоративных обследований, а также нормативные справочники.

Таблица 2 - Состав цифровой карты ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель

Рисунок 2 - Основные векторные слои цифровой карты ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель Советского муниципального района Саратовской области

Таблица 3 - Внешние файлы АБД ГИС-мониторинга нарушенных ТБО земель

Для пространственного распространения данных точечных наблюдений по контролируемой территории, т. е. интерполяции данных, в составе ГИС-мониторинга использовался специальный модуль (расширение) комплекса ArcGIS DeskTop - Geostatistical Analyst, а в качестве метода интерполяции - детерминантный метод локальных полиномов 2-й степени с 50 % локальности [10].

Для прогнозирования распространения загрязнений от объектов обращения с ТБО на прилегающие территории, например с поверхностным стоком свалочного фильтрата, были разработаны трехмерные цифровые модели рельефа местности формата TIN, которые создавались по векторным слоям горизонталей рельефа с помощью расширения ArcGIS DeskTop - 3DAnalyst (рисунок 3).

Использование трехмерных моделей рельефа совместно с математическими моделями влагопереноса, такими, например, как программа SWAP 2.07D [11], является основой для прогнозирования миграции свалочного фильтрата в грунтовые воды, а также с поверхностным стоком наприлегающие территории.

а)

б)

Рисунок 3 - Трехмерная модель рельефа территории Советского района Саратовской области: грани рельефа (а), уклоны поверхности (б)

Важным элементом системы геоинформационного мониторинга нарушенных свалками и полигонами земель являются общедоступные космические снимки земной поверхности, широко распространенные в сети интернет, например Google Планета Земля. С их помощью можно с низкими трудозатратами контролировать состояние известных свалок и полигонов, а также оперативно обнаруживать новые самовольно возникающие несанкционированные свалки [12].

При существующей в Российской Федерации системе обращения с ТБО, когда основным способом их утилизации является захоронение на специально отведенных местах, без разработки и внедрения геоинформационного мониторинга земель, нарушенных свалками и полигонами ТБО, невозможно решить задачи охраны окружающей среды и экологической безопасности населения на прилегающих территориях.

В состав этого ГИС-мониторинга должны входить цифровая карта контролируемой территории, внутренние атрибутивные таблицы, внешняя база данных, содержащая постоянную и накапливаемую информацию о состоянии контролируемых объектов и природных компонентов ландшафтов прилегающих территорий, средства интерполяции данных полевых наблюдений, трехмерного моделирования рельефа и математического моделирования миграции свалочного фильтрата.

Создание и внедрение системы ГИС-мониторинга нарушенных свалками и полигонами ТБО земель позволит существенно улучшить экологическую обстановку на прилегающих территориях за счет действенного контроля за эксплуатацией этих источников загрязнения окружающей среды, оперативного реагирования на возникновение несанкционированных свалок, прогнозирования возможного негативного воздействия свалочного фильтрата и биогаза на атмосферный воздух, водные объекты, грунтовые воды, почвенный покров и подстилающие горные породы.

геоинформационный мониторинг земля свалка

Список использованных источников

1. Ларионов А.И. Анализ морфологического состава отходов - первый этап стратегического планирования комплексов по утилизации отходов производства и потребления / А.И. Ларионов // Мир современной науки. - 2011. - № 5. - С. 1-4.

2. Напалкова А.А. Состояние и тенденция развития рынка услуг по утилизации и переработке твердых бытовых отходов в странах АТР / А.А. Напалкова, А.Е. Насадюк // Известия Дальневосточного федерального университета. Экономика и управление. - 2015. - № 2. - С. 73-89.

3. Аналитическая записка по обращению с твердыми бытовыми и промышленными отходами и по реализации пилотных проектов переработки отходов в субъектах Российской Федерации

4. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2014 году / Правительство Сарат. обл.; М-во природ. ресурсов и экологии Сарат. обл. - Саратов, 2015. - 174 с.

5. Пронько Н.А. О восстановлении нарушенных свалками и полигонами земель Саратовской области / Н.А. Пронько, Д.А. Крашенинников, В.В. Афонин // Аграрный научный журнал. - 2017. - № 3. - С. 20-23.

6. Инженерно-экологические изыскания для строительства: СП 11-102-97: введ. в действие с 15.08.97

7. Информационные технологии рационального природопользования на орошаемых землях Поволжья / Н.А. Пронько, В.В. Корсак, О.Ю. Холуденева, Т.В. Корнева.- Саратов: СГАУ им. Н.И. Вавилова, 2009. - 212с.

8. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования: ГН2.1.5.1315-03: введ. в действие с 15.06.03 // Гарант Эксперт 2017. - НПП «Гарант-Сервис», 2017.

9. Ивонин В.М. Мелиорация отвалов токсичного грунта / В.М. Ивонин, А.В. Егошин // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации - 2014. - № 1(13). - С. 130-146.

10. Фалькович А.С. Перспективные приемы мелиорации в борьбе с деградацией орошаемых земель (на примере Саратовской области) / А.С. Фалькович, Н.А. Пронько, В.В. Корсак // Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации. - 2017. - № 1(25). - С. 131-145.

11. Математическое моделирование в компонентах природы (интерактивный курс): учеб.-практ. пособие / Г.Н. Камышова, В В. Корсак, А.С. Фалькович, О.Ю. Холуденева; СГАУ им. Н.И. Вавилова. - Саратов: Науч. кн., 2012. - 155 с.

12. Гусев В.А. Возможности использования ГИС-технологий и картографическая визуализация в решении проблем утилизации твердых бытовых отходов в Саратовской области / В.А. Гусев, А.В. Молочко // Известия Саратовского университета. Серия: Науки о Земле. - 2015. - Т. 15, вып. 2. - С. 5-9.

Размещено на Allbest.ru