CC BY
53
УДК 55:504+550.837(470.61)
ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ МОДУЛЬ В СИСТЕМЕ ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА ТЕРРИТОРИЙ РАЗМЕЩЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ И БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
© 2010 г. Н.Е. Фоменко, Д.А. Гапонов
Южный федеральный университет, Southern Federal University,
ул. Зорге, 40, г. Ростов н/Д, 344090, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344090,
[email protected] [email protected]
Проведены геофизические и атмогеохимические исследования на несанкционированной свалке в Ворошиловском районе г. Ростова-на-Дону с целью оптимизации комплекса экологических наблюдений на территориях размещения промышленных и бытовых отходов. Показаны возможности экспрессных методов электроразведки и газометрии при геоэкологической оценке состояния этих территорий.
Ключевые слова: геофизические методы, газометрия, геоэкологический мониторинг, свалка, фильтрат, биогаз.
Geophysical and atmogeochemical research has been carried out at the unauthorized dump in the Voroshilov district of Rostov-on-Don. The aim of research was to optimize a system of ecological observations on the territories of storage of industrial and domestic wastes. The opportunities of express methods of electrical exploration and gasometry during geoecological assessment of conditions of these territories have been shown.
Keywords: geophysical methods, gasometry, geoecological monitoring, dump, filtrate, biogas.
Места размещения твёрдых отходов производства и потребления (ТОПП) являются геоэкологическими объектами [1 - 7], находящимися под пристальным вниманием различных групп исследователей, но вопрос их эффективного изучения и оценки влияния на окружающую среду остаётся открытым.
В г. Ростове на-Дону, как и в большинстве крупных городов, наряду с санкционированными местами захоронения ТОПП имеются несанкционированные. Последние вызывают особую озабоченность городских властей в связи с тем, что стихийные свалки, когда-то образовавшиеся в овражно-балочной сети пригорода, по мере расширения города оказывались в его непосредственной черте. Это представляет опасность, вызванную ухудшением санитарно-эпидемиологической обстановки и загрязнением геологической среды и атмосферы, что предопределяет необходимость проведения экологического мониторинга [5]. В системе этого мониторинга авторами были инициированы работы по включению в его комплекс геофизических методов. В качестве предпосылок эффективного применения данных методов выступают выраженная дифференциация ТОПП по физическим свойствам и положительные примеры в других регионах [1, 2, 4, 8]. Дополнительным аргументом служит то, что геофизические методы позволяют производить объёмную оценку состояния геологической среды экономично и экспрессно, с широким диапазоном детальности и информативности.
Основными задачами в развитии экогеофизическо-го направления при изучении и мониторинге мест размещения бытовых и промышленных отходов следует считать выбор, опробование и совершенствование современных экспрессных геолого-геофизических технологий с учётом специфики конкретных объектов исследований.
Объекты и методы исследования
Объектом проведения экогеофизических наблюдений в г. Ростове-на-Дону являлась несанкционированная свалка в Ворошиловском районе (далее «Вороши-
ловская» свалка). Она расположена в пойме правого берега балки Камышевахи - восточного притока р. Те-мерник. Пойма шириной от 20 до 140 м врезана в неогеновое плато, высота коренного берега над ней 10-20 м. Непосредственно с северо-западной и юго-восточной сторон свалки находятся садоводческие товарищества «Союз» и «Аэро», с южной стороны протекает водный канал, соединяющий Ростовское море с каскадом Северного водохранилища (рис. 1).
+ t ^ + ^ .. 11 ' ^ + Ф ^
луговая растительность и „ обводнённая*
Рис. 1. Ситуационный план «Ворошиловской» свалки г. Ростова-на-Дону. 1 - территория свалки; 2 - контур съёмки электроразведочным методом ЕП; 3 - индексы участков электрозондирования; 4 - площадь газовой съёмки
«Ворошиловская» свалка образовалась в 198182 гг. на месте отработанных карьеров глубиной до 10 м по добыче известняка-ракушечника. В 1985 г. территория была частично рекультивирована, но отхо-
ды на неё продолжали поступать и поступают в настоящее время. Современная площадь - 24 га, высота -3-10 м относительно поймы. Разрез покровных отложений состоит из насыпных грунтов с бытовым и строительным мусором. В северо-восточной части находятся относительно глубокие (до 3-8 м) траншеи, прорытые при поиске и добыче металлолома. В настоящее время они заполнены водой. В восточной расположен открытый карьер площадью 0,3 га, в западной - перемещённые с места вскрытия выработок траншей техногенные отложения, перекрытые ТОПП.
Изучение геоэкологической обстановки на объекте производилось методами газометрии, постоянного естественного электрического поля (ЕП) в варианте градиент-потенциала и электропотенциального томографического зондирования (ЭПТЗ).
Технология газометрии, разработанная в ФГУП «ВНИГРИуголь», относится к экспрессным. Производится отбор проб газо-воздушной смеси с глубины до 1 м при помощи специального зонда-проботборника. Регистрация компонентов биогаза, преимущественно метана (СН4), осуществляется инфракрасным газоанализатором ПГА-7. Скорость съёмки повышается использованием двух зондов, перемещаемых способом «хода циркуля» (рис. 2а).
Изучение поля ЕП как действия окислительно-восстановительных, диффузионно-адсорбционных и фильтрационных процессов в земной коре проводилось по стандартной методике [9]. Для регистрации аномалий использовался микровольтметр постоянного тока с высокоомным входом (мультиметр) и неполяри-зующиеся электроды (рис. 2б). Экспрессность измерений достигалась увлажнением измерительных лунок путём заливки их водой с одновременным перемещением неполяризующихся электродов, помещённых во влажные тряпичные чехлы.
б
у/у//у//л
Ш
н\ 3 Да
уц 'у//щ
к измерителю
М '
1уу//уОу/УуЖ}у/
л
филя или ортогонально ему на шаг кратный измерительной линии МЫ, которая в свою очередь перемещается с арифметическим шагом (рис. 2в). В результате при каждом смещении питающей линии АВ, в новом зондировании, линия МЫ проходит через те же точки, что и на предыдущем. Повторение измерений позволяет производить накапливание сигналов и тем самым однозначно идентифицировать приповерхностные неоднородности. Измерения ЭПТЗ осуществляются малогабаритной электроразведочной аппаратурой типа ЭРА-В-ЗНАК.
Результаты и обсуждение
Схематическая карта атмогеохимической съёмки на территории «Ворошиловской» свалки приведена на рис. 3а.
и». 3 мВ » с в ю
»W
А <Й>
'V
1
осевое смещение
М N
ортогональное смещение
ßi
Л, А Вт В
А В
Рис. 2. а - схема установок проведения исследований методами газометрии; б - ЕП; в - ЭПТЗ. 1 - зонд-пробоотборник; 2 - газоанализатор; 3 - неполяризующиеся электроды;
АВ, МЫ - питающая и измерительная линии
Технология ЭПТЗ была выбрана по причине её экспрессности и возможности получать сведения не только об изменении техногенного разреза на глубину, но и о наличии локальных неоднородностей вдоль заданных профилей. Принцип объёмного сканирования, сочетающего элементы и зондирования, и профилирования, достигается путём последовательного смещения электроразведочной установки по направлению про-
Рис. 3. а - распределение концентраций СН4 в приповерхностном слое насыпных грунтов; б - графики потенциала естественного электрического поля (иЕП) и его градиента (ДиЕП) на «Ворошиловской» свалке г. Ростова-на-Дону
Распределение зон повышенной метаногенерации носит мозаичный характер и очевидно определяется условиями неравномерного сочетания бытовых и промышленных отходов. Следует отметить, что несмотря на неоднократное перемещение и «пересортировку» техногенных грунтов в ходе работ по извлечению металлсодержащих отходов, процесс образования метана не прекратился. Сравнительно невысокие содержания метана (в среднем 3-5 %) и на участках относительно мощных скоплений ТОПП в верхнем слое грунтов можно объяснить, с одной стороны, преобладанием в толще строительных отходов, а с другой - снижением содержания СН4 вследствие формирования окислительного биофильтра, который образуют метанотроф-
а
в
ные микроорганизмы [7]. Заметим, что любые более 0,1 % содержания метана в грунте представляют экологическую опасность, поэтому атмогеохимическая карта (см. рис. 3а) является основой для принятия решений при рекультивациионных работах. В конкретном случае особую тревогу вызывает непосредственное примыкание садоводческого товарищества «Аэро» с северной стороны «Ворошиловской» свалки из-за возможности разгрузки метана в подземные коммуникации и сооружения. Низкое содержание метана (менее 0,5 %) в центре восточной части исследуемого участка является следствием срабатывания техногенных отложений до коренных пород в процессе извлечения металлсодержащих отходов. Северо-восточная часть свалки на предмет содержания метана не изучалась. Как было сказано выше, она представляет собой территорию, изрытую глубокими траншеями, заполненными водой.
Съёмка методом ЕП выполнена по контуру, разграниченному по сторонам света (см. рис. 1). Графики вычисленных значений потенциала поля (%п) и его градиента (Л%П) приведены на рис. 3б. Изменение поля в исследуемом контуре происходит по синусоиде (на рисунке показана пунктирной линией). Положительные экстремумы приурочены к северной и северовосточной сторонам. Они определяют зону разгрузки грунтовых вод, выраженную в форме заболоченного участка. Минимальные значения ¿УЕП отмечены в южной и юго-западной частях. Для восточной и западной сторон характерна тенденция постепенного ослабления потенциала поля по мере удаления от обводнённой зоны. График Л%п детализирует места локальных изменений поля по ярко выраженным градиентным переходам (индексы I, II, III). Аномальные эффекты I и II, выделяющиеся в западной и северо-западной частях контура, приурочены к территории садоводческого товарищества и, вероятно, связаны с окислительно-восстановительными процессами в подземных коммуникациях, а двухпериодная градиентная зона III на юге - с инфильтрационными потоками (гидрогеологические окна).
Исследования технологией ЭПТЗ выполнены на участках в пределах и вне свалки (на ситуационном плане (см. рис. 1) отмечены индексами I-IV). Индексация проведена с севера на юг в направлении, противоположном разгрузке грунтовых вод. Результаты ЭПТЗ хорошо согласуются с данными съёмки ЕП, что можно проследить путём анализа сводных графиков кажущихся удельных электрических сопротивлений (рк) (рис. 4). В левой части рисунка кривые представлены в билогарифмическом масштабе, т.е. в форме типовой для электрозондирования (шифр З). В правой части эти же кривые приведены в полулогарифмическом масштабе, в форме типовой для электропрофилирования (шифр П). В точках электрозондирования на участке обводнённой зоны (фрагмент I З) рк в верхней части разреза на порядок ниже, чем на других участках (II-IV). При увеличении глубины соотношение показателей рк на обводнённом и необводнённых участках не изменяется. Это свидетельствует о проявлении так называемого P-эффекта [10]. В целом кривые рк, построенные по результатам электрозондироввания на участке I, т.е. вне территории свалки, имеют форму A
(увеличение с глубиной рк) и соответствуют геологическому строению района, в котором верхние почвен-но-суглинистые отложения вниз по разрезу сменяются карбонатной толщей.
Рис. 4. Графики электрического зондирования (З) и профилирования (П) на «Ворошиловской» свалке г. Ростова-на-Дону. 1-1У - участки ЭПТЗ; интервалы проявления приповерхностных неоднородностей отмечены затемнённой штриховкой
Следует отметить, что врезка 11а приведена с целью уточнения верхнего слоя геоэлектрического разреза (специальные детальные исследования). Присутствие локальных неоднородностей в разрезе участков свалки обнаруживается при рассмотрении кривых ЭПТЗ, совмещённых на фрагментах П. Наиболее интересным является участок II. Здесь в интервале разносов 80 -120 м выделяется область повышенных значений рк (см. рис. 4, фрагмент II П). Диагностическим признаком присутствия аномального объекта (этот и другие объекты на рис. 4 отмечены штриховкой) является повторение формы кривых ЭПТЗ при их совмещении в арифметическом масштабе в соответствии с последовательностью смещения установок АВ (зондирование в соседних точках по сейсморазведочному способу многократных перекрытий). Другой диагностический признак - сдвиг аномалий на кривых зондирования по оси ординат на величину, равную расстоянию между точками ЭПТЗ. Отметим, что высокоомным аномалиеоб-разующим объектом, как показали контрольные маршрутные наблюдения, оказался блок погребённых от-
ходов полиэтиленового производства. Другими анома-лиеобразующими неоднородностями, но меньших размеров явились слитки отходов литейного производства, неликвиды железобетонных и бетонных конструкций и т.д. Они зафиксированы на всех графиках, представленных на рис. 4. Знак аномалий от этих объектов определяется электропроводностью. Особо следует отметить резкое изменение кривых ЭПТЗ в сторону весьма низких значений рк при разносах более 100-150 м на участках II и III. За пределами свалки аномалиеобразующими приповерхностными объектами могут быть линзы замещений, например линзы глин или песка в суглинистых отложениях.
Интерпретация кривых ЭПТЗ произведена в программе ИРП'Щп на основе двух стартовых моделей, которые составлены по априорным данным о геологическом строении района «Ворошиловской» свалки. Первая модель отражает техногенно ненарушенный геоэлектрический разрез (до образования свалки). Он представлен покровным почвенно-суглинистым слоем мощностью (И) до 7 м со средним удельным электрическим сопротивлением (рп) 10 Ом м и замещён на свалке техногенными отложениями с рп=15 Омм; ниже по разрезу залегает известняк-ракушечник (И = 7-8 м, рп = 40 Ом м), подстилаемый пачкой переслаивающихся известняков, глин и песков мощностью (И = 5 м, рп = 22 Омм), сменяющейся трещиноватыми плотными известняками толщиной до 10 м и рп = 100 Омм. Вторая модель отвечает геоэлектрическому разрезу отложений надпойменной террасы, которая геоморфологически находится ниже. Разрез характеризуется относительно однородной в геоэлектрическом отношении толщей рп ~ 18 Омм.
Сопоставление теоретических кривых электрозондирования, построенных на основе стартовых моделей, даёт возможность выявлять и производить «разбраковку» техногенных объектов в мозаичном теле свалки. На участке I, находящемся вне территории свалки, наблюдённые кривые практически идеально совпадают с теоретической, поэтому его можно считать квазиоднородным на предмет наличия приповерхностных техногенных объектов.
На участках II и III наблюдаются значительные отличия кривых рк от теоретической (стартовой), что собственно и должно быть в техногенной гетерогенной среде, которой является толща свалки. Наибольшее несоответствие отмечается на участке II: в левой части имеет место превышение наблюденных кривых над теоретической, что указывает на место складирования отходов полиэтиленового производства; в правой части происходит резкое уменьшение значений рк, что является признаком наличия в теле свалки высокопро-водящего объекта в форме пластины.
На участке III форма рассогласования между наблюденной и теоретической кривыми подобна таковой на участке II, но контрастность «рассогласования» затухает. Можно считать, что в этой части свалки обводнённость толщи, как и количество плитчатых отходов литейного производства, уменьшается.
На участке IV геоэлектрический разрез до прогнозируемой глубины порядка 70-90 м характеризуется относительно однородным составом. В средней части, по всей видимости, находится второстепенный водоносный горизонт. Отмечается наличие в разрезе припо-
верхностных объектов, которые по контрастности проявления С-эффекта можно отнести ко второму уровню.
На основе выполненных экспериментальных исследований на «Ворошиловской» свалке авторами составлена её экогеофизическая модель как основа для постановки и реализации задач геоэкологического мониторинга применительно к конкретному объекту. Эта модель вписывается в структуру типовой модели свалки ТОНН, предложенной М.Г. Пустозёровым [2]. Основным элементом модели является её верхняя часть, представленная техногенным грунтом как источником экологической опасности. В этой части могут быть выделены три геотехногенных комплекса (I - поверх-ностно-рекультивационный, II - погребённый и III -техногенно загрязнённый), границы которых условны при небольшой толще отходов (1-3 м) и достаточно контрастны при значительных мощностях (10 м и более). Для первых двух комплексов характерно повышенное содержание биогаза, для третьего комплекса -фильтрата, который увеличивает его мощность, насыщая подстилающие породы.
Выводы
Выполненные исследования показали, что, как и при других видах геологоразведочных работ, применение геофизических методов позволяет получать опережающую информацию о структуре и степени гетерогенности объекта. На основе электроразведочных данных, дополненных результатами атмогеохимиче-ских наблюдений, возможно рациональное планирование всей системы геоэкологического мониторинга, направленного на контроль влияния на окружающую среду двух основных поллютантов: свалочного фильтрата и биогаза. Геофизический модуль может быть, кроме того, направлен на диагностику состояния грунтовых вод и существенно упросит задачу по выбору мест размещения наблюдательных скважин. Для условий «Ворошиловской» свалки это важно потому, что по геоэкологическим наблюдениям территория находится под жёстким техногенным прессингом. Свалка постоянно горит, поставляя в виде пыли и аэрозолей ряд опасных химических соединений, таких как тяжёлые металлы, диоксины, меркаптаны, кислотные радикалы и др. Сквозь её толщу фильтруются атмосферные осадки и грунтовые воды, загрязняя поверхностные и подземные водоносные системы. «Охотники за металлом» роют старую (восточную) часть свалки и периодически подвозят свежие отходы, увеличивая биологическое загрязнение, связанное с наличием в ТОНН патогенных бактерий, простейших, вирусов, яиц гельминтов. Кроме того, свалка является благоприятным местом для размножения эпидемиологически значимых синантропов (крыс и мух).
С целью получения сведений необходимых для установления полной геоэкологической обстановки на «Ворошиловской» свалке рекомендуется провести геофизические исследования всей её территории, включая комплексирование электроразведки с магнитометрией. Целесообразность применения последней диктуется тем, что отобранные образцы слитков литейного производства показали высокие значения магнитной восприимчивости (к > 3 10-3 ед. СИ), а как известно, обнаружение техногенных месторождений ме-
таллов на территориях размещения ТОПП может представлять коммерческий интерес, связанный с покрытием части расходов при рекультивации несанкционированных свалок.
Литература
1. Богословский В.А., Жигалин А.Д., Хмелевской В.К. Экологическая геофизика : учеб. пособие. М., 2000. 256 с.
2. Пустозеров М.Г. Возможности геофизических методов при изучении свалок твердых отходов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2002. № 2. С. 182-191.
3. Гумарова Ж.Ж., Русаков Н.В. О санитарно-эпидемиологической опасности твёрдых бытовых отходов // Гигиена и санитария. 2006. № 1. С. 64-66.
4. Мясников О.В., Лебедева Л.Д., Волкова Н.П. Возможности высокочастотных методов электроразведки при изучении локальных техногенных объектов // Литосфера. 2006. № 2 (25). С. 128-134.
Поступила в редакцию
5. Приваленко В.В., Кузнецов И.Н., Демченко С.Г. Эколо-го-геохимический мониторинг на полигонах ТОПП г. Ростова-на-Дону. Ростов н/Д, 2009. 297 с.
6. Гапонов Д.А. Применение геофизических методов при изучении свалок и полигонов твёрдых бытовых отходов (геоэкологический аспект) // Строение литосферы и геодинамика: материалы XXIII всероссийской молодёж. конф. Иркутск, 21-26 апреля 2009 г. Иркутск, 2009. С. 266-267.
7. Иванов Д.В. Роль природного окислительного биофильтра в снижении эмиссии метана в атмосферу с объектов захоронения бытовых и строительных отходов // Изв. вузов. Геология и разведка. 2009. № 4. С. 63-67.
8. Вахромеев Г.С. Экологическая геофизика : учеб. пособие для вузов. Иркутск, 1995. 216 с.
9. Справочник геофизика. Т. III : Электроразведка / под ред. А.Г. Тархова. М., 1963. 585 с.
10. Геоэкологическое обследование предприятий нефтяной промышленности / под ред. В.А. Шевнина и И.Н. Моди-на. М., 1999. 511 с.
12 февраля 2010 г.
