Основные проблемы инженерно-геологического, гидрогеологического и экологического изучения участков размещения полигонов захоронения ТБО и пути их решения

Актуальность работы. Ключевое значение для решения проблем экологии в современную эпох)' имеет декларация о развитии и окружающей среде (ОС), принятая на «глобальном саммите» в Рио-де-Жанейро в 1992 г., в котором участвовали 178 стран и 115 глав государств. На саммите была принята «глобальная хартия» (Earth Charter), рассчитанная на XXI век, в которой нашли отражение принципиальные положения, составившие позднее основу концепции «устойчивого развития».

Существенную роль играет также резолюции XXI Конференции Объединенных Наций по ОС и Развитию (United Nations Conference on Environment and Development, 1993 — UNSED) в которой была отмечена тесная связь между экономикой и ОС и подчеркнуто, что только совместный учет этих двух аспектов может служить основой для устойчивого развития. Указанные документы не только вывели проблему загрязнения ОС на международный уровень, но и показали, что она создает реальную угрозу для самого существования современной цивилизации.

Одним из опасных источников загрязнения окружающей среды, оказывающих неблагоприятное воздействие на жизнь и здоровье человека, являются места захоронения и складирования отходов производства и потребления, объем которых измеряется в настоящее время миллиардами тонн. Существенное место среди них занимают свалки твердых бытовых отходов (ТБО), подразделяющиеся на современные (полигоны) и старые. Последние представляют особую опасность, так как большинство из них создавалось без учета ландшафтных и геолого-гидрогеологических условий, чаще всего в отслуживших свой срок песчаных карьерах. Кроме того, при отсутствии надлежащего контроля, в них нередко сбрасывались отходы промышленных предприятий, медицинских и других учреждений. В связи с этим загрязнение компонентов ОС, вызываемое такими свалками, весьма различно по составу и степени токсичности. Наряду со свалками, характеризующимися слабым загрязнением, не представляющим особой опасности, встречаются свалки, где содержание токсичных компонентов в подземных водах, почво-грунтах, приповерхностной атмосфере превышает установленные нормы в десятки и сотни раз и создает опасность чрезвычайной экологической ситуации или экологического бедствия.

В настоящее время во всех передовых странах Запада осуществляется массовое обследование старых свалок с целью их ранжирования по степени опасности и ликвидации или санирования тех из них, которые представляют наибольшую угрозу. В ближайшее десятилетие аналогичные работы предполагается осуществить и в России (в небольшом объеме они уже выполнены). Для этого должна быть разработана экономичная и эффективная методика обследования свалок, выявлен характер и степень загрязнения подземных вод и почво-грунтов, как наиболее уязвимых компонентов ОС, выполнена оценка степени опасности загрязнения для жизни и здоровья человека. Методика требует научного обоснования по большому числу позиций с учетом опыта, накопленного в этой области в Российской Федерации и за рубежом. Определенные проблемы возникают и при выборе мест размещения новых полигонов ТБО, где также должно быть обеспечено минимальное воздействие на ОС и здоровье населения. Этим вопросам и посвящена диссертация.

Разработки выполнены на примере Московской области, которая является одной из ведущих в стране по экономическому потенциалу, типична по природным условиям для большей части Европейской территории России и характеризуется значительной антропогенной нагрузкой на ОС, в том числе и за счет загрязнения многочисленными свалками. Выполненные разработки могут быть распространены и на другие регионы Российской Федерации.

Цель работы заключается в разработке научного обоснования методики выбора мест размещения полигонов твердых бытовых отходов (ТБО) и изучения старых свалок и их воздействия на ОС и здоровье населения с целью решения вопроса о необходимости осуществления мероприятий по санированию. Основные задачи:

1. Критический анализ показателей, используемых в современной практике для оценки загрязнения почво-грунтов и подземных вод.

2. Рассмотрение в единой системе процессов, происходящих на путях миграции фильтрата.

3. Анализ и обобщение опыта изучения токсического и других видов загрязнения почво-грунтов и подземных вод в России и зарубежных странах (Германия, США, Голландия).

4. Разработка содержания комплекта карт, отражающих ограничения, налагаемые на размещение полигонов ТБО правовыми, нормативными и другими документами, а также типологическое районирование территории по степени защищенности подземных вод от загрязнения (в развитие работ, выполненных сотрудниками ГГП Гидро-спецгеология).

5. Разработка схемы исследований для выбора мест размещения полигонов ТБО. (.

6. Рассмотрение возможностей и ограничений использования для оценки токсичности подземных вод методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов.

7. Разработка процедуры изучения и оценки загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок, включающей региональные исследования (картографирование) и многоэтапное обследование конкретных свалок с применением методов аналитической химии и биотестирования.

Исходный материал. Проанализирован и обобщен фактический материал по свалкам ТБО, расположенным в Московской области, а также в зарубежных странах — США и Германии. Особенно полезными оказались немецкие материалы, поскольку большинство свалок, имеющихся в этой стране, расположено в области континентального оледенения, т. е. в геолого-гидрогеологических условиях весьма близких к условиям Московской области.

Научная новизна работы:

1. Существенно расширены, уточнены и рассмотрены в единой системе процессы, происходящие в свалках ТБО и на путях миграции образующегося фильтрата (в самом фильтрате, при его взаимодействии с вмещающими грунтами, в пределах горизонта подземных вод).

2. Впервые свалка ТБО рассматривается как химический реактор с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление, характер и интенсивность химических реакций и определяющими состав газов, загрязняющих воздушную среду, и фильтрата, поступающего в почво-грунты и подземные воды.

3. Показано, что загрязнение грунтов легкими УГВ и летучими органическими соединениями токсичных тяжелых металлов происходит не только через воздушную среду, но также на путях миграции фильтрата и при испарении с поверхности грунтовых вод.

Основные защищаемые положения:

1. Применяемая система показателей загрязнения грунтов и подземных вод. основанная на использовании критерия ПДК и фоновых концентраций несовершенна и требует обязательного учета времени воздействия на организм человека, форм, в которых представлены токсичные компоненты, возможного кумулятивного эффекта и дополнения показателями загрязнения, получаемыми с помощью биотестирования и сенсорных методов.

2. Свалка ТБО представляет собой химический реактор с изменяющимися во времени физическими параметрами, контролирующими направление и характер химических реакций и определяющими состав и интенсивность загрязнения воздушной среды, почво-грунтов и подземных вод. Установлены и описаны три главных этапа трансформации свалки во времени, различающиеся по всей сумме характеристик.

3. Рассмотрение в единой системе процессов, происходящих в теле свалки и на путях миграции фильтрата, создает научную основу для разработки рациональной методики исследований, составления прогнозов, а также рекомендаций по применению защитных мероприятий.

4. Предложенные методы картографирования ограничений, налагаемых на размещение полигонов законодательством и нормативными документами, а также районирования территорий по степени защищенности подземных вод от загрязнения на основе типизации разрезов, позволяют решать вопросы о наиболее безопасном размещении полигонов ТБО.

5. Разработанные принципы многоэтапных исследований с привлечением картографирования и использованием методов аналитической химии, биотестирования и сенсорных методов обеспечивают эффективное и экономичное массовое обследование старых свалок и их ранжирование по степени опасности и необходимости применения санирующих мероприятий.

Практическая значимость работы. Результаты исследований были использованы при разработке проекта Территориальных строительных норм «Проектирование, строительство и рекультивация полигонов по захоронению твердых бытовых отходов на территории Московской области». Документ должен быть утвержден и издан в течение 2000 года.

Публикации. По теме диссертации опубликованы тезисы докладов и две статьи.

Апробация работы. Отдельные вопросы работы докладывались и обсуждались на II Международной конференции по проблемам экологии и безопасности жизнедеятельности «Поиск, оценка и рациональное использование природных ресурсов. Наука, практика и перспективы» (Тула. 1998) и на IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1999). Содержание диссертации было обсуждено на совместном заседании кафедр Гидрогеологии и Инженерной геологии МГГА.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 211 страниц, включая 20 рисунков и 44 таблицы. Список использованной литературы содержит 176 наименований.

Заключение

.

Одним из опасных источников загрязнения окружающей среды, вредно влияющих на жизнь и здоровье человека, являются свалки отходов производства и потребления, в которых в настоящее время аккумулированы миллионы тонн различных веществ и материалов. Существенное место среди них занимают свалки твердых бытовых отходов («муниципальных» по иностранной терминологии). По литературным данным [68] таких свалок на территории Московской области более 200, но в действительности их значительно больше, так как многие свалки не санкционированы и ни в каких реестрах не числятся. Особую опасность в отношении загрязнения окружающей среды представляют старые свалки, которые создавались без должного учета природных, в том числе геолого-гидрогеологических условий, в большинстве случаев в отслуживший свой срок карьерах. Кроме того, при отсутствии контроля в них сбрасывались не только собственно бытовые отходы, но также отходы различных производственных предприятий, медицинских и иных учреждений, содержащие токсичные компоненты.

В настоящее время в передовых странах Запада осуществляется массовое обследование старых захоронений с тем, чтобы ранжировать их по степени опасности и составить план последовательной их ликвидации или санирования. Такую работу предстоит выполнить и в Российской Федерации (частично она уже выполнена), а для этого необходимо разработать эффективную и экономичную методику обследования свалок и оценки степени их опасности для ОС и населения. Разработка методики требует в свою очередь научного обоснования и решения многочисленных проблем различной сложности. Этому и посвящена настоящая диссертация.

Автор выбрал в качестве объекта исследований Московскую область, которая относится к наиболее развитым в экономическом отношении регионам Российской Федерации и характеризуется значительной нарушенностью природной среды, в том числе за счет многочисленных свалок. Кроме того, Московская область типична для зоны ледниковой аккумуляции, в пределах которой находиться большая часть Европейской России. В связи с этим сделанные выводы и рекомендации могут быть распространены на обширную территорию, занимающую ведущее положение в экономике страны. Поскольку в России в работах по обследованию свалок сделаны лишь первые шаги, автор широко использовал в диссертации обширный фактический материал, полученный в зарубежных странах и в первую очередь в Германии, где обследовано более 450 свалок, большинство которых находится в зоне ледниковой аккумуляции, т. е. в геолого-гидрогеологических условиях весьма близких к условиям Московской области. Это дает основание рассматривать их как достаточно надежные аналоги.

В своей работе автор уделил основное внимание загрязнению почво-грунтов и подземных вод, т. е. вопросам, относящимся к компетенции инженера-геолога и гидрогеолога и лишь попутно, в меру необходимости, затронул вопросы загрязнения других компонентов окружающей среды, хотя они, несомненно, заслуживают не меньшего внимания.

При изучении загрязнения почво-грунтов и подземных вод и в России, и в зарубежных странах используется система показателей и специальных оценочных критериев. Для того, чтобы не усложнять дальнейшее изложения ссылками и пояснениями, автор вынес этот вопрос в отдельную главу и привлек к рассмотрению не только отечественные материалы, но и материалы по США, Германии и Голландии, где в этой области в последние годы выполнены специальные разработки. Анализ имеющихся материалов показал, что система применяемых в современной практике показателей, основанная в основном на использовании критерия ПДК, несовершенна и должна сопровождаться анализом и учетом таких факторов как длительность воздействия, форма в который представлены токсические компоненты, возможность синергетического эффекта и др.

Свалка твердых бытовых отходов, аккумулирующая разнообразные неорганические и органические материалы представляет собой своеобразный химический реактор, в котором развивается широкий комплекс химических и биохимических процессов, контролируемых изменяющимися во времени физическими параметрами (ЕЬ, рН, Т°С). Отчетливо выделяются три этапа в развитии свалок, заметно различающиеся по всей сумме показателей, в том числе по составу элементов и соединений, поступающих в толщу грунтов и подземные воды. В работе приведена характеристика выделенных этапов и показано их значение для правильной трактовки процессов загрязнения.

Процессы, происходящие в свалке, на путях миграции фильтрата и в пределах горизонта грунтовых вод отличаются многообразием и развиваются в сложном взаимодействии при участии множества различных по своей природе факторов. Процессы носят случайный характер и характеризуются параметрами, которые либо не поддаются определению, либо могут быть определены лишь с большой погрешностью. В связи с этим составляемые в настоящее время математические геомиграционные модели не дают (и не могут дать) удовлетворительных результатов. Однако это не исключает рассмотрения с позиций инженерной геологии и гидрогеологии всех этих процессов и факторов в единой системной постановке, что и сделано в представленной работе. Составленный обзор дает достаточно ясное представление о характере процессов, их значении и создает необходимую основу для умозаключений, качественных оценок и прогнозов.

Анализ большого объема фактического материала по изучению загрязнения подземных вод на участках размещения старых свалок в северных землях Германии свидетельствует о том, что по крайней мере в 50% всех случаев загрязнение грунтовых вод не превышает сотых или десятых долей ПДК и не представляет опасности для жизни и здоровья человека. Такое загрязнение не требует применения санирующих мероприятий. На этом благополучном фоне фиксируются случаи, когда загрязнение превышает ПДК в сотни, тысячи и даже десятки тысяч раз, создавая опасность экологической катастрофы. Полученные данные создают основу для ранжирования свалок по степени опасности и разработки планов по последовательному осуществлению санирующих мероприятий. В составе загрязняющих компонентов присутствуют с разной встречаемостью все токсичные тяжелые металлы. Чаще всего присутствует бор (85,7% всех случаев) и мышьяк (61,3%), наиболее редко ртуть (14,9%) и кадмий (14,6%). Из органических соединений доминируют хлорированные полициклические ароматические углеводороды. Сходные результаты получены при обследовании свалок на территории Московской области.

Попадая в грунтовые воды, загрязнение распространяется по направлению движения потока, но как свидетельствуют наблюдения и специально поставленные эксперименты лишь на сравнительно небольшие расстояния, измеряемые первыми сотнями метров и в редких случаях первыми километрами. Разбавлением и растеканием такое положение объяснить нельзя. По-видимому, здесь действует дополнительно какой-то пока не выявленный и не изученный фактор. По мнению большинства специалистов, таким фактором является биодеградация.

Во избежание негативных последствий, о которых писалось выше, размещение новых полигонов должно осуществляться с одной стороны в соответствии с действующим законодательством и нормативными документами, с другой — с учетом местных геолого-гидрогеологических условий. Для успешного решения этих задач должны быть осуществлены региональные исследования: дешифрирование космических снимков и аэроснимков, рекогносцировочные обследования и разработка комплекта карт. В развитие работ, выполненных в этом направлении сотрудниками ГП Гидроспецгеология, автор предложил составлять четыре карты: а) карту ограничений размещения полигонов ТБО, определенных правовыми и нормативными документами, б) карту защищенности.

197 грунтовых вод в первом водоносном комплексе за счет толщ моренных суглинков, в) карту защищенности подземных вод во втором водоносном комплексе за счет юрских глин и г) карту, совмещающую две предыдущие и позволяющую вынести окончательное суждение о степени естественной защищенности подземных вод. Районирование осуществляется по типам разрезов, что обеспечивает наглядность и дает информацию, необходимую для комплексного анализа.

Наиболее сложной задачей является изучение старых свалок с оценкой характера, состава и степени опасности создаваемого ими загрязнения почво-грунтов и грунтовых вод. В США, Германии, Франции и других странах обследование старых свалок первоначально выполнялось по широкой программе с применением большого объема гидрохимического опробования. Однако анализ результатов исследований показал, что такое опробование дорого и неэффективно и может быть существенно сокращено без потери нужной информации. На этой основе была разработана трехэтапная процедура обследования, наиболее успешно реализованная институтом УаВоЬи в Германии. На первом этапе решается вопрос о том загрязнены ли подземные воды токсическими компонентами или нет, на втором оценивается степень опасности загрязнения и на третьем выполняются исследования для обоснования санирования. Авторы предложили использовать для выявления токсического загрязнения химические индикаторы, но анализ свидетельствует о том, что они не эффективны. Заключительная часть диссертация посвящена разработке рациональной методики обследования старых свалок и их воздействия на почво-грунты и подземные воды по такой трехэтапной процедуре с привлечением региональных исследований (картографирование) и использованием методов аналитической химии, биотестирования, сенсорных методов.