Введение к работе
Актуальность темы исследования
Одним из последствий урбанизации и хозяйственной деятельности человека является формирование из промышленных и бытовых отходов техногенных массивов, оказывающих негативное воздействие на все компоненты природной среды. Специфической особенностью Европейского Севера является весьма распространенная практика размещения их на болотах, занимающих до 20% территории и считающихся бросовыми землями. Более того, болота использовали в качестве вторичных отстойников или биологических прудов для доочистки сточных вод небольших населенных пунктов и предприятий. Благодаря высокой пористости и водопроницаемости торфа поллютанты распространялись по всей торфяной залежи и мигрировали в водоемы.
До сих пор у различных исследователей нет единого мнения о том, какие процессы превалируют в торфе после прекращения сброса отходов, их изоляции или утилизации, а именно, фиксируются ли загрязняющие вещества в торфяной залежи за счет сорбции растительными остатками и продуктами их разложения (твердой фазой) или имеет место самоочищение болота благодаря инфильтрации атмосферных осадков и выносу поллютантов грунтовыми водами. При этом стационарные наблюдения выполнялись в окрестностях действующих свалок и выпусков сточных вод, то есть в условиях постоянного поступления поллютантов.
Определение возможности и сроков восстановления нарушенных территорий и оценки перспектив их строительно-хозяйственного освоения возможно лишь по результатам длительного мониторинга за состоянием торфяного массива с так называемыми «старыми техногенными нагрузками».
Таким образом, исследование состояния природно-техногенной системы (ПТС), сформировавшейся в результате размещения отходов хозяйственной деятельности человека на болоте, с целью создания научно обоснованного метода прогноза интенсивности выноса поллютантов из торфяного массива грунтовыми водами, оценки возможности и определения сроков начала строительно–хозяйственного освоения нарушенной территории является актуальным.
Тема диссертационной работы соответствует паспорту специальности 25.00.36 Геоэкология (строительство и ЖКХ), пункт 5.6: «Природная среда и ее изменения под влиянием урбанизации строительной и хозяйственной деятельности человека: загрязнение почв, горных пород, поверхностных и подземных вод, возникновение и развитие опасных природных и техноприродных процессов. Характеристика, оценка состояния и управление современными ландшафтами» и пункт 5.10: «Геоэкологические аспекты природно-техногенных (в т.ч. строительных) систем. Мониторинг их состояния».
Степень разработанности темы исследования
Проблематике, связанной с оценкой состояния и восстановления природно-техногенных систем, сформировавшихся в результате складирования твердых бытовых отходов, а также деятельности предприятий горнодобывающей, нефтяной и газовой промышленности посвящены работы Ф.Ф. Брюханя, А.М. Гальперина, М.В. Графкиной,
И.М. Евграфовой, В.И. Осипова, В.Г. Офрихтера, А.Д. Потапова, В.И. Сметанина, Д.Ю. Ступина, В.И. Теличенко, О.В. Тупициной, К.Л. Чертеса, Е.В. Щербины, И.К. Яжлева и др. ученых.
Методологическим аспектам анализа состояния ПТС посвящены работы М.А. Глазовской, М.В. Графкиной, А.Н. Гулькова В.В. Дмитриева, И.И. Мазура, В.И. Осипова, О.В. Тупицыной, Л.М Фалейчик, М.Г Ясовеева и др.
Анализ литературных источников показал, что практика складирования отходов и выпуска сточных вод на заболоченные территории является весьма распространенной. Загрязнение болот и процессы их восстановления изучались Н.П. Ахметьевой, А.Ю. Беляевым, Р.Г. Джамаловым, А.А. Зубайдуллиным, Л.В. Карпенко, К.И. Лопатиной, А.П. Носаль, А.Ю. Опекуновым, В.В. Пановым, Т.М. Потаповой, О.Г. Савичевой, В.И. Суворовым, М.А. Торопиным и др. В ряде работ обосновывается использование болот в системе очистки хозяйственно-бытовых сточных вод.
Исследованиям сорбции загрязняющих веществ торфом посвящены работы Р.Ф. Абдрахманова, Т.П. Алексеевой Н.П. Ахметьевой, Т.И. Бурмистровой, И.И Волковой, М.А. Глазовской, Е.Э. Езупенок, А.В. Жуйковой, Е.Г. Захаровой, Л.В. Карпенко, Т.Я. Кашинской, Е.Е. Ляпиной, Л.К. Мамаевой, С.Г Маслова, А.М. Межибор, А.Э. Овсепян, Я.В. Пащенко, Т.А. Подворко, Л.И. Разворотневой, И.А. Тябова Н.В. Чухаревой. Л.И. Шабаровой, H.J. Bavor, G.L. Bruland M.P. Kangsepp, M. Koiv, F. Winde и др. Обзор работ указанных авторов показал, что основное внимание в них уделялось сорбционным свойствам торфа по отношению к неорганическим веществам, нефти и нефтепродуктам, тогда как проблемы, связанные с десорбцией загрязняющих веществ, прочности их связи с органическим веществом торфа, исследованы недостаточно.
Результаты изучения водно-физических свойств торфа представлены в работах Л.С. Амаряна, Е.Т. Базина, Н.Ф. Бондаренко, А.Д. Брудастова, Ш.И. Брусиловского, Ф.Н. Винокурова, И.Е. Евгеньева, Л.С. Евстафьева, К.Е. Иванова, Н.И. Ильина, Л.И. Инишевой, Н.П. Коваленко, В.Д. Казарновского, П.А. Коновалова, И.И. Лиштвана, К.П. Лундина, В.А. Миронова, Н.Н. Морарескула, А.Ф. Печкурова, А.Е. Тетеркина, А.Д. Худякова, М.А. Шапошникова и других. Анализ характеристик торфа, таких как влажность, плотность, плотность частиц, зольность, водопроницаемость, полученных различными исследователями, показывает их широкую изменчивость в зависимости от состава и генезиса торфа, соотношения его органической, минеральной и водной фаз, условий питания торфяной залежи и климатических условий.
Цель диссертационной работы. Создание научно обоснованного метода прогноза изменения во времени состояния природно-техногенной системы, сформировавшейся в результате размещения отходов хозяйственной деятельности человека на болоте, и его верификация по данным длительного мониторинга для оценки возможности и сроков строительно-хозяйственного освоения территории.
В соответствии с поставленной целью были сформулированы и решены следующие задачи:
- анализ существующих подходов к оценке состояния природно-техногенных систем, сформировавшихся в результате складирования промышленных и бытовых отходов на заболоченной территории, и обобщение экспериментальных данных по
динамике восстановления загрязненного торфяного массива;
исследование интенсивности и продолжительности выноса поллютантов из загрязненного торфяного массива грунтовыми водами путем проведения длительного мониторинга;
разработка метода и проведение лабораторных исследований сорбции-десорбции торфом поллютантов, характерных для изучаемой природно-техногенной системы, а также водопроницаемости торфа с учетом его фильтрационной анизотропии;
разработка метода прогноза продолжительности выноса поллютантов из торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического режима болота для оценки пригодности территории к строительно-хозяйственному освоению.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Разработан и реализован метод определения водопроницаемости торфа в вертикальном и горизонтальном направлениях на одном и том же образце при одноосном компрессионном уплотнении, впервые для Европейского Севера получена зависимость коэффициента фильтрационной анизотропии верхового торфа от нагрузки.
-
Разработан и реализован метод исследования сорбции-десорбции торфом поллютантов, содержащихся в фильтрующейся жидкости, впервые экспериментально определена сорбционная способность верхового торфа по отношению к двухкомпонентному раствору фенола и гваякола.
-
Впервые по данным длительных натурных наблюдений получена экспериментальная зависимость снижения концентрации поллютантов в торфяном массиве во времени, установлена зависимость концентрации от объема профильтровавшейся воды.
-
Разработан метод прогноза продолжительности выноса поллютантов из торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического режима болота, предназначенный для оценки пригодности территории к строительно-хозяйственному освоению.
Объект исследования: методология и результаты исследований природно-техногенных систем, сформировавшихся в результате загрязнения торфяного массива промышленными и бытовыми отходами.
Предмет исследования: методология прогнозирования изменения во времени состояния природно-техногенной системы, сформировавшейся в результате размещения отходов хозяйственной деятельности человека на болоте.
Теоретическая значимость результатов работы.
Создан научно обоснованный метод прогноза изменения во времени состояния природно-техногенной системы, сформировавшейся в результате размещения отходов хозяйственной деятельности человека на болоте, для оценки возможности и сроков строительно-хозяйственного освоения территории.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Предложен метод прогноза изменения во времени концентрации поллютантов в торфяном массиве, служившем для размещения отходов и выпуска сточных вод, позволяющий определять сроки восстановления нарушенной территории, оценить возможность и обосновать сроки начала ее строительно-хозяйственного освоения.
Результаты диссертационных исследований использованы при выполнении НИР "Проведение экологического мониторинга участков складирования отходов ОАО «Онежский ЛДК» на болоте Конинник (г. Онега)" в 2005 - 2009 годах. Созданные приборы используются в учебном процессе в высшей инженерной школе САФУ при проведении лабораторных занятий по инженерной геологии и геоэкологии. Метод определения степени фильтрационной анизотропии торфа вошла в учебное пособие «Комплексные лабораторные исследования грунтов» / [А.Л. Невзоров, И.Ю. Заручевных, В.В. Коптяев и др.]; Архангельск: Изд. САФУ, 2012, 124 с., для студентов, обучающихся по направлению «Строительство».
Методология и методы исследования. При выполнении работы производилось аналитическое обобщение данных предшествующих исследований, выполнялись полевые и лабораторные эксперименты, по результатам которых устанавливались эмпирические зависимости, проводилось численное моделирование гидрогеологического режима торфяного массива в программно-вычислительном комплексе «PLAXIS 3D».
Степень достоверности полученных результатов. Определение свойств торфа проводилось на поверенном лабораторном оборудовании в аккредитованной лаборатории. Выполнялась статистическая обработка результатов испытаний с оценкой тесноты корреляционной связи получаемых зависимостей. Результаты прогноза интенсивности снижения концентрации поллютантов в торфяном массиве верифицировались по данным длительного полевого эксперимента.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод и результаты определения водопроницаемости торфа в вертикальном и горизонтальном направлениях на одном и том же образце при одноосном компрессионном уплотнении, включая зависимость коэффициента фильтрационной анизотропии верхового торфа от нагрузки.
-
Метод и результаты исследования сорбции-десорбции торфом поллютантов, содержащихся в фильтрующейся жидкости.
-
Выявленные на основании лабораторных исследований и длительных стационарных наблюдений зависимости снижения во времени концентрации поллютантов в торфяном массиве, ранее служившем местом размещения отходов и выпуска сточных вод.
-
Метод прогноза продолжительности выноса поллютантов из торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического режима болота, предназначенный для оценки возможности и сроков строительно-хозяйственного освоения территории.
Личный вклад автора состоит в разработке положений, представленных в настоящей диссертационной работе, в том числе метода определения водопроницаемости торфа в вертикальном и горизонтальном направлениях на одном и том же образце при одноосном компрессионном уплотнении, зависимости коэффициента фильтрационной анизотропии верхового торфа от нагрузки, метода исследования сорбции-десорбции торфом поллютантов, содержащихся в фильтрующейся жидкости, и метода прогноза продолжительности выноса поллютантов из торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического
режима болота, в проведении длительного мониторинга и лабораторных экспериментов для получения экспериментальной зависимости снижения концентрации поллютантов в торфяном массиве от объема профильтровавшейся воды.
Апробация результатов исследования. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Строительство-2011» (Ростов-на-Дону, 2011), Всероссийской научной конференции «Молодые исследователи – регионам» (Вологда, 2012), Международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2013» (Москва, 2013), Международной научно-технической конференции “Научно - технический прогресс в строительстве и архитектуре” (Баку, 2014), Всероссийской конференции, посвященной "125- летию со дня рождения И.В.Попова" (Москва, 2014), Международной научной конференции «Геоэкологические проблемы национальной безопасности России, техногенез, инженерная геодинамика и мониторинг инженерных сооружений» (Москва, 2017), Научной конференции «Гидрогеология: наука, образование, практика» (Харьков, 2017), а также на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава САФУ (АГТУ) в 2009 - 2018 гг.
Публикации по результатам исследований. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук, 1 работа опубликована в журнале, индексируемом в международных реферативных базах Scopus и Web of Science, получено 2 патента на полезную модель.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа изложена на 142 листах, содержит 23 таблицы, 64 рисунка и список литературы из 344 наименований на 33 страницах.