Введение к работе
Актуальность работы. Вторая половина двадцатого столетия, характеризующаяся развитием научно-технического прогресса и бурным ростом народонаселения, отмечена эволюцией геологической среды Земли в эпоху техногенеза. По оценкам отечественных и зарубежных ученых (В И Осипова, В.Т.Трофимова, Е.Н.Огородниковой, М.И.Хазанова, Л Ольтшнера и др.) масштабы техногенной деятельности сейчас даже превосходят мощь геологических процессов. Большой вклад в образование техногенных грунтов вносят горнодобывающая и перерабатывающая промышленность, однако не малая доля принадлежит огходам производства и потребления. Только в Москве ежегодно образуется 20 млн. м3 твердых бытовых отходов и около 5 млн. тонн промышленных нетоксичных отходов. В общей сложности в Российской Федерации накоплено около 7 млрд. тонн отходов, из которых 1 млрд. тонн — опасные отходы В среднем на каждого жителя РФ приходится до 15 тонн различных твердых отходов в год.
Следует отметить, что во всем мире, прежде всего, уделяется пристальное внимание особо опасным, радиоактивным и токсичным отходам, хранение которых строго организовано и осуществляется под пристальным контролем местных и международных экологических организаций и комитетов. Но не менее важной остается проблема обращения с твердыми бытовыми отходами (ТБО). Все чаще возникают территории, экологическая обстановка которых характеризуется как критическая, что связано с загрязнением атмосферы, водных источников, грунтов и фунтовых вод отходами производства и потребления или продуктами их разложения, вызывающими нарушение сложившего природного равновесия и разрушение естественных ландшафтов.
Захоронение ТБО на полигонах остается одним из основных способов их обезвреживания. В странах Европейского Союза в среднем на полигоны вывозится более 60% твердых бытовых и промышленных отходов, в России это количество достигает 90-98%, под полш оны ТБО ежегодно отчуждается около 10 тыс. га земель, которые заняты лесами, пригодны для сельскохозяйственной и другой деятельности. Захоронение отходов является одним из основных факторов селитебного техногенеза, оказывающего воздействие на геохимическое поле, приводящее к образованию новых геохимических комплексов, возрастанию агрессивности подземных и поверхностных вод, засолению и цементации грунтов. Одной из основных причин напряженной экологической ситуации, которой характеризуются территории размещения отходов, является недостаточная разработка научных методов принятия проектных решений, включая средства инженерной защиты, позволяющих обеспечить геоэкологическую безопасность территорий В связи с этим разработка научно-методологических основ геоэкологического проектирования полигонов ТБО с позиций безопасного функционирования возникающей природно-техногенной системы (ПТС), актуальна и нацелена на решение важной научной, социальной, экологической и хозяйственной задади.
РОС. НАЦИОНАЛЬНА" '
БИБЛИОТЕКА [
3 С.Пете»бург у j
Решение проблемы экологической безопасности полигонов ТБО может быть получено с позиций системного подхода и имеет научное, методологическое и прикладное значение. Системный подход в данном случае рассматривается как методология научных исследований, ставящая целью всесторонне изучение сложноорганизованной природно-техногепной системы «Полигон ТБО». Результаты исследований позволяют разработать адекватные, создаваемым угрозам окружающей среде и человеку, средства инженерной защиты и стратегию управления ПТС как при новом строительстве полигонов ТБО, так и при их рекультивации.
Обьект исследований: искусственно образованная и функционирующая длительное время природно-техногенная система, представленная твердыми бытовыми отходами (техногенно образованными отложениями), инженерными сооружениями и средствами инженерной защиты во взаимодействии со всеми элементами геосферы. К таким системам отнесены свалки и полигоны твердых бытовых отходов.
Предметом исследований стати результаты обследования существующих полигонов ТБО Российской Федерации и других стран, позволившие выявить закономерности функционирования природтго-техпогенной системы, комплекс нормативно-правовых документов, организационных мероприятий и инженерной защиты, направленных на обеспечение геоэкологической безопасности этих объектов.
Принятая научная гипотеза: полигоны ТБО - это сложноорганизованные природно-техногенные системы, представляющие целостный комплекс техногенных и природных, взаимосвязанных элементов, образующих единство с окружающей средой. Границы между ними условны и передвигаются в зависимости от- решаемой задачи и периода жизненного цикла ПТС.
Геозколої ическое проектирование, как элемент управления ПТС, служит инструментом, позволяющим реализовать результаты методологических исследований и обеспечить геоэкологическую безопасносіь объектов размещения ТБО.
Цель работы: Разработка научно-методологических основ
геоэкологического проектирования полигонов ТБО, позволяющего определить комплекс методических, организационных и инженерно-технических мероприятий, обеспечивающих минимизацию воздействий на природные и природно-техноіенньїе экосистемы территорий полигонов ТБО и старых свалок.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие основные задачи:
1. На основании анализа ситуации, сложившейся в системе обращения с отходами производства и потребления у нас в стране, и обобщения международного опыта, установить характер и масштабы влияния территорий размещения отходов на элементы главных жизнеобеспечивающих геосферных оболочек, выявить характер и тенденции развития неблагоприятных
геоэкологических процессов, определить основные цели и задачи геоэкологического проектирования.
2. Разработать научно обоснованные принципы геоэкологического проектирования полигонов ТБО, направленные на предотвращение развития неблагоприятных геохимических и геодинамических процессов на основе системного анализа изучения взаимосвязей и процессов, происходящих на территориях размещения отходов.
3 Выявить основные особенности и процессы обмена между техногенной и природной составляющими ГТГС «Полигон», позволяющие описать жизненный цикл системы.
-
Обосновать основные принципы построения системы обеспечения іеоэкологической безопасности ПТС «Полигон» на всех этапах ее жизненного цикла. Определить необходимые средства инженерной защиты, основанные на концепции двухуровневых барьеров.
-
Разработать геотехнические методы оценки устойчивости и расчета природно-техногенного массива свалочных грунтов с учетом особенностей их физико-механических свойсгв. Разработать основные научно-технические положения расчета геокомпозиционных систем, как одних из основных элементов инженерной защиты на всех этапах жизненного цикла ПТС «Полигон».
6 Разработать научно обоснованные требования к геосинтетическим материалам, применяемым при устройстве защитных конструкций и систем полигонов ТБО, определить их основные функции, классификацию, методы испытаний и методики расчета.
7. Определить основные методологические подходы к управлению ПТС «Полигон» и математическую модель АЖЦ, необходимые для разработки эффективной инженерной защиты территорий, обеспечивающей гоеэкологическую безопасность строительства, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО.
Научная новизна работы заключается в том, что:
впервые сформулированы и научно обоснованы основные принципы и положения геоэкологического проектирования полигонов ТБО, направленные на обеспечение геоэкологической безопасности, базирующиеся на системном подходе анализа жизненного цикла, выполненного с позиций устойчивости функционирования природно-техногенных систем.
обосновано утверждение, что загрязнение от продуктов биохимического разложения ТБО сказывается на всех элементах экосистемы «атмосфера -поверхностные воды - горные породы - подземные воды - биота». Установлено, что в местах размещения полигонов ТБО развиваются негативные геохимические, геодинамические и геофизические процессы и явления, анализ которых позволил обосновать основные элементы инженерной защиты, необходимые для обеспечения геоэкологической безопасности полигонов ТБО.
показано, что природный геологический барьер служит чрезвычайно важным и необходимым фактором при выборе площадки для размещения полиюна ТБО, но недостаточным для обеспечения геоэкологической безопасности территории. Местные и региональные водоупоры не во всех случаях обеспечивают защиту водоносных горизонтов о г загрязнения фильтратом, что связано с природными особенностями водоупоров- наличием гидрогеологических окон, природной трещинова гостью, сорбционной способностью іруїпов, которые под воздействием фильтрата, приводят к изменениям их физико-механических свойств: увеличению водопроницаемости, снижению прочности. Поэтому для обеспечения безопасности территорий размещения полигонов ТБО необходима разработка ередсів инженерной защиты.
разработана концепция мультибарьеров, заключающаяся в сочетании мероприятий, направленных на снижение риска загрязнения геосфер путем уничтожения исіочников загрязнения или снижения их токсичности - барьеры первою уровня, и устройства изоляционных экранов, препятствующих распространению загрязнений - барьеры второго уровня.
сформулированы геотехнические принципы, методы расчета и проектирования геокомиозиционных экранов, как элементов инженерной защиты территорий от негативных техногенных воздействий.
дано развитие научно-методологических представлений о влиянии захоронения ТБО на изменение физических полей города в составе общего воздействия селитебного техногенеза.
На защиту выносятся:
- Результаты обобщения и анализа материалов инженерно-геологических
изысканий, данных наблюдений, литературных источников о геоэкологических
процессах, проходящих в местах размещения отходов (полигонов ТБО),
позволяющие обосновать гипотезу об образовании специфической природно-
техногенной системы «Полигон».
Модель жизненного цикла природно-техногенной системы «Полигон», построенная на основе анализа процессов обмена между составляющими системы, позволяющая выявить особенности ее функционирования, необходимые для прогнозных оценок загрязнения территорий размещения отходов с использованием методов аналогий, экспертных оценок, математического и физического моделирования.
Методология и основные принципы построения системы обеспечения геоэкологической безопасности ПТС «Полигон» на всех этапах его жизненного цикла, позволившие определить эффективные средства инженерной защиты.
Геотехнические методы оценки устойчивости техногенного массива свалочных грунтов с учетом особенностей их физико-механических свойств, основные научно-технические положения расчета геокомпозиционных систем, как одних из основных элементов инженерной зашиты на всех этапах жизненного цикла ПТС «Полигон».
Результаты теоретических и экспериментальных исследований геосинтетических материалов, применяемых при устройстве защитных конструкций и систем полигонов ТБО. Методы и методики расчета геокомпозиционных экранов и систем, используемых в элементах инженерной защиты.
Методология и подходы к управлению ПТС «Полигон», состав инженерных изысканий и геотехнического мониторинга, необходимых для достижения требуемого качества и обеспечения гоеэкологической безопасности строительства, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО в системе управления отходами.
Практическая значимость и реализация результатов исследования заключается в разработке:
методов и методик расчета геокомпозиционных экранов;
рекомендаций по расчету и проектированию защитных экранов полигонов депонирования осадка сточных вод, которые использовались при устройстве финального перекрытия полигона «Марьинский парк»;
рекомендаций по расчету и проектированию геокомпозиционных экранов, как элементов инженерной защиты территорий от негативных техногенных воздействий и развития экзогенных геологических процессов;
методики анализа жизненного цикла полигона ТБО, подготовленной для включения в нормативную документацию и практику проектирования, строительства, эксплуатации и рекультивации полигонов ТБО, как в части разработки раздела ОВОС, так и расчета и проектирования элементов и технологических систем инженерной защиты.
Основные положения работы вошли в территориальные строительные нормы ТСН 30-308-2002 Московской области. «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов твердых бытовых отходов в Московской области».
Полученные результаты нашли отражение в учебном процессе, разрабоганы рабочие проіраммьі дисциплин «Депонирование ТБО», «Геотехника урбанизированных территорий», учебного пособия «Экологическая безопасность полигонов ГБО».
На основании разработанных методик, совместно с институтами МОСИНЖПРОЕКТ и СОЮЗДОРПРОЕКТ реализованы проекты армирования оснований и насыпей повышенной крутизны при строительстве участков внутригородской автомагистрали 3-сго транспортного кольца г. Москвы, расположенных на территориях бывших свалок.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на конференциях совещаниях и симпозиумах: на годичной сессии научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (2005 г.); академических чтениях Н.А.Цытовича и 2-х Денисовских чтениях (Москва 2003 г.); международных конференциях по управлению качеством окружающей среды (Москва 2000, 2001, 2004 г.г.); научно-технической конференции «Опыт
«Реконструкция исторических городов и геотехническое строительство» (Санкт Петербург 2003 г.); научно-технических отчетных конференциях по результатам реализации межотраслевой программы научно-инновационного сотрудничества Министерства образования и науки РФ и Федерального Агентства Специального строительства РФ «Наука, инновация, подготовка кадров в строительстве» (Москва 1999 - 2004 г.г.); научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан (2005 г.).
Публикации
Соискателем опубликовано более 90 работ, из них по теме диссертации: 26 статей, монография «Геосинтетические материалы в строительстве»; 3 учебных пособия, выпущено 20 научно-исследовательских отчетов, ТСН 30-308-2002 Московской области. «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов твердых бытовых отходов в Московской области».
Структура и объем работы
