close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Прогнозная оценка продолжительности восстановления загрязненного торфяного массива для строительно-хозяйственного освоения

код для вставкиСкачать
 На правах рукописи
ТЕЛЬМИНОВ ИЛЬЯ ВАЛЕНТИНОВИЧ
ПРОГНОЗНАЯ ОЦЕНКА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
ЗАГРЯЗНЕННОГО ТОРФЯНОГО МАССИВА
ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНО-ХОЗЯЙСТВЕННОГО ОСВОЕНИЯ
Специальность 25.00.36 – Геоэкология (строительство и ЖКХ)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск - 2018
2
Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном
учреждении высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет
имени М. В. Ломоносова».
Научный руководитель:
Невзоров Александр Леонидович
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Офрихтер Вадим Григорьевич
доктор технических наук, доцент,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Пермский национальный
исследовательский политехнический
университет», кафедра «Строительное
производство и геотехника», профессор
Тупицына Ольга Владимировна
доктор технических наук,
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
образования «Самарский государственный
технический университет», кафедра
«Химическая технология и промышленная
экология», профессор
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное
учреждение науки Федеральный
исследовательский центр комплексного
изучения Арктики имени академика
Н.П. Лаверова Российской академии наук
Защита состоится «11» октября 2018 г. в 1400 часов на заседании диссертационного
совета Д 212.138.13, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский
Московский государственный строительный университет», по адресу: 129337,
г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, зал Ученого Совета.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Национальный
исследовательский Московский государственный строительный университет» и на сайте
www.mgsu.ru.
Автореферат разослан «___» _________________2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Слесарев Михаил Юрьевич
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
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 природнотехногенных 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,
4
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,
Р.Г. Джамаловым,
А.А. Зубайдуллиным,
Л.В. Карпенко,
А.Ю. Беляевым,
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
5
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:
1. 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.
2. 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.
3. Впервые по данным длительных натурных наблюдений получена
экспериментальная зависимость снижения концентрации поллютантов в торфяном
массиве во времени, установлена зависимость концентрации от объема
профильтровавшейся воды.
4. Разработан метод прогноза продолжительности выноса поллютантов из
торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического режима
болота, предназначенный для оценки пригодности территории к строительнохозяйственному освоению.
Объект исследования: методология и результаты исследований природнотехногенных 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.
6
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:
1. 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.
2. Метод и результаты исследования сорбции-десорбции торфом поллютантов,
содержащихся в фильтрующейся жидкости.
3. 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.
4. 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
торфом
поллютантов,
содержащихся
в
исследования
сорбции-десорбции
фильтрующейся жидкости, и метода прогноза продолжительности выноса поллютантов
из торфяного массива на основе численного моделирования гидрогеологического
7
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 научнотехнической 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.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы,
сформулированы цель и задачи исследований, научная новизна, практическая
значимость, представлены основные положения, которые выносятся на защиту, а также
сведения об апробации результатов работы.
Глава 1 «Аналитический обзор» посвящена анализу публикаций, связанных с
оценкой состояния различных типов природно-техногенных систем, размещением
на заболоченной территории и
отходов хозяйственной деятельности человека
организацией мониторинга загрязненной территории. В главе приводится анализ
результатов исследований физических, сорбционных свойств и водопроницаемости
торфа.
В главе 2 «Мониторинг объекта исследования» приводится описание объекта
исследования и дается оценка экологических последствий размещения на нем отходов.
Верховое болото Конинник расположено рядом с г. Онега Архангельской области
(рисунок 1). Общая площадь болота – 4,5 км2, глубина торфяной залежи в среднем
составляет 5 м.
8 Рисунок 1 – Расположение болота
Конинник (топографическая основа
Google Maps)
Рисунок 2 – Схема размещения свалок
и точек мониторинга грунтовых вод
(топографическая основа Google Maps):
I – свалка отходов лесозаготовок;
II – свалка гидролизного лигнина;
III – золоотвал;
IV – свалка отходов лесопиления
Верхний
слой
болота
сложен
преимущественно
слаборазложившимся
топяным торфом мощностью 1 – 3 м, под
ним залегает торф средней степени
разложения. Торф подстилается слоем ила
и
тугопластичными
ледниковыми
суглинками. Болото имеет ровный рельеф
с понижением в северном направлении в
сторону Белого моря. Растительность
представлена лесными и безлесными
фитоценозами.
До 2002 года на болоте Конинник
размещались отходы лесозаготовок и
лесопиления, гидролизный лигнин и
золошлаковые материалы, производился
сброс сточных вод гидролизного завода
(рисунок 2).
Последствием
техногенных
воздействий стал сдвиг кислотности
поверхностных и грунтовых вод и, как
следствие, постепенное изменение состава
древостоев и растений напочвенного
покрова в средней и северной части
болота. Так, если на соседнем болоте
Рейзен-Мох и в южной части болота
Конинник, на которые свалки и стоки
оказывали
меньшее
влияние,
произрастают
естественно
сформировавшиеся сосняки сфагновые, то
средняя и северная часть болота
представлена
растительностью,
характерной для низинных болот.
Для оценки влияния размещенных
отходов на окружающую среду в 2002
году были выполнены предпроектные
рекогносцировочные исследования и в
2004
году
начат
систематический
мониторинг поверхностных и грунтовых
вод. На территории болота Конинник и
болота Рейзен Мох была организована
сеть
постов,
где
выполнялись
систематические наблюдения за режимом
и химическим составом поверхностных и
грунтовых вод (рисунок 2).
9 Данные мониторинга по соседнему болоту Рейзен-Мох, на котором отсутствуют
свалки отходов, использовались для установления фоновых показателей.
Проведенный в 2002 году расширенный анализ химического состава
поверхностных и грунтовых вод по 11 показателям показал, что концентрация 6 из них
значительно превышает ПДК, концентрация остальных загрязняющих веществ
находилась в интервале 0,1 - 1,5 ПДК. Исходя из этого, для проведения мониторинга
были выбраны следующие вещества, позволяющие объективно оценивать состояние
объекта: аммоний солевой, фосфаты, нефтепродукты, фенол, лигнинные вещества.
В ходе мониторинга грунтовых вод выявлено, что концентрация поллютантов на
постах наблюдения постепенно снижалась, что связано с прекращением складирования
отходов и сброса сточных вод гидролизного завода и выносом поллютантов из
торфяного массива. Необходимо заметить, что какую-либо закономерность по
изменению концентрации фосфатов за период наблюдений выявить не удалось. Повидимому, существуют неустановленные источники их поступления, например, с
прилегающей территории.
В главе 3 «Лабораторные испытания торфа» приводятся методы и результаты
лабораторных исследований физических, сорбционных свойств и водопроницаемости
торфа, отобранного на объекте исследования, и обосновываются 1-е, 2-е и 3-е
положения, выносимые на защиту.
Физические свойства торфа приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Средние значения физических свойств торфа
Показатель
Верхний слой
Нижний слой
3
0,96
9,62
1,50
0,09
15,7
2,1
8
1,02
6,92
1,52
0,13
10,75
3,9
38
Плотность, г/см
Влажность, доли единиц
Плотность частиц, г/см3
Плотность скелета, г/см3
Коэффициент пористости
Зольность, %
Степень разложения, %
Исследование водопроницаемости слаборазложившегося торфа верхнего слоя
болота проводилось на двух типах устройств: компрессионно-фильтрационных
приборах стандартной конструкции и фильтрационной установке собственной
конструкции.
В первом случае для определения фильтрационной анизотропии цилиндрические
образцы торфа вырезались в вертикальном и горизонтальном направлениях из
отобранных в шурфах монолитов.
Коэффициенты фильтрации неуплотненного торфа в вертикальном и
горизонтальном направлениях в среднем составили: kВ = 3,2 м/сут и kГ = 6,1 м/сут. При
увеличении нагрузки с 0 до 30 кПа kВ уменьшился в 6,4 раза до 0,5 м/сут, а kГ в 5,5 раза
до 1,1 м/сут. Зависимость коэффициента фильтрации торфа от давления описывается
уравнением:
10
k k e ,
 bp
f
0
(1)
где k0 – коэффициент фильтрации неуплотненного торфа;
e – основание натурального логарифма;
p – давление на образец, кПа;
b – коэффициент, равный 0,061 при вертикальной фильтрации и 0,058 - при движении
воды в горизонтальном направлении вдоль слоев.
Использованный метод определения водопроницаемости не в полной мере
пригоден для испытаний торфа. Во-первых, испытание образцов небольшого размера
приводит к существенному разбросу данных из-за неоднородности торфа и наличия
крупных пор, корней растений и т.п. Во-вторых, при изучении горизонтальной
фильтрации движение воды и нагрузка на образец действуют в одном направлении –
вдоль слоев, что не соответствует схеме фильтрации и деформирования торфяной
залежи.
Для повышения достоверности получаемых результатов нами была
сконструирована и изготовлена фильтрационная установка, состоящая из
фильтрационного прибора, стенда управления, устройства для подачи воды и
загрузочного приспособления (рисунок 3).
а
б
Рисунок 3 – Компрессионно-фильтрационная установка:
а – схема, б – общий вид; 1 – корпус стенда; 2 – регулирующие краны;
3 – выпускная трубка; 4 – мерный цилиндр; 5 – станина; 6 – фильтрационный прибор;
7 – загрузочная рама; 8 – груз; 9 – входной штуцер; 10 – краны подачи воды;
11 – соединительный шланг; 12 – напорный бак; 13 – штанга
11
Фильтрационный прибор (рисунок 4) состоит из кубического корпуса,
вмещающего
образец
ненарушенной
структуры
размером
15х15х15 см,
перфорированных днища и поршня.
Две противоположных стенки
корпуса
являются
также
перфорированными, и внутри них
имеются
горизонтальные
изолированные друг от друга каналы,
которые могут соединяться с напорным
баком или трубкой для сброса воды.
Каждый
из
каналов
снабжен
отдельным
краном.
Конструкция
прибора
позволяет
определять
коэффициент
фильтрации
при
движении воды в вертикальном и
горизонтальном направлениях, в том
числе послойно и при любой,
изменяющейся
в
ходе
Рисунок 4 – Схема фильтрационного
компрессионного сжатия торфа высоте
прибора:
образца.
1 – шток; 2 – кран для выпуска воздуха;
Коэффициенты
фильтрации
3 – стенка; 4 – перфорированный поршень;
неуплотненного торфа в вертикальном
5 – горизонтальный канал;
и горизонтальном направлениях в
6 – штуцер; 7 – днище
среднем составили: kВ = 4,6 м/сут,
kГ = 21,6 м/сут.
При увеличении нагрузки с 0 до 30 кПа значение kВ уменьшилось в 7,6 раза до
0,6 м/сут, а kГ – в 8,3 раза до 2,6 м/сут (рисунок 5). Зависимости коэффициентов
фильтрации торфа от давления описываются степенным уравнением (1) с показателем
степени b = 0,065 при вертикальной фильтрации и b = 0,07 при горизонтальной
фильтрации.
k30
f,
м/сут
25
20
15
1
10
2
5
0
0
10
20
p, 30
кПа
Рисунок 5 – Зависимость коэффициента фильтрации от нагрузки на образец:
1 – фильтрация в горизонтальном направлении;
2 – фильтрация в вертикальном направлении
12
Коэффициенты фильтрации, определенные на втором приборе, оказались выше
значений, полученных на первом приборе, – в 1,4 раза для вертикальной фильтрации и
3,5 раза для горизонтальной фильтрации. Причиной служит сохранение природной
текстуры торфа при подготовке образца и загрузке прибора.
Коэффициент фильтрации неуплотненного среднеразложившегося торфа нижнего
слоя болота составил 0,32 м/сут и при увеличении нагрузки с 0 до 30 кПа значение
уменьшилось до 0,1 м/сут. Зависимость коэффициента фильтрации торфа от давления
описывается уравнением (1) с показателем степени b=0,041. Исследуемый торф
обладает однородной структурой и не является анизотропным грунтом.
В связи с тем что среди контролируемых в ходе мониторинга поллютантов
наибольшее превышение ПДК в грунтовой воде зафиксировано у летучих фенолов,
содержание которых отнесено к основным показателям при оценке экологической
обстановки территории, и процессы их сорбции торфом мало исследованы, в
диссертационной работе определялась сорбция–десорбция торфом фенола и гваякола,
как типичных представителей одноатомных фенолов.
Исследования выполнялись на установке, включающей гильзу диаметром 50 мм,
разделенную двумя пористыми дисками на три камеры: рабочую и две торцевых. Длина
рабочей камеры, в которой размещается образец торфа, может изменяться от 2 до 15 см.
Жидкость к образцу подается из наливного бака через напорный бак с поплавковым
затвором. Профильтровавшаяся жидкость отводится по шлангу в мерный цилиндр.
Перед проведением испытаний образцы торфа подвергались пробоподготовке
этанолом. Подготовленный торф помещали в рабочую камеру установки, уплотняя до
значений коэффициента пористости, характерных для исследуемой торфяной залежи.
Опыты проводились в три этапа. Первый этап – фильтрация дистиллированной
воды через образец для удаления остатков этилового спирта. Второй этап – фильтрация
двухкомпонентного модельного раствора фенола и гваякола. Концентрация фенола и
гваякола принималась 10 мг/л (в соотношении 50/50). Третий этап – фильтрация
дистиллированной воды для вымывания модельного раствора из образца.
В течение опыта регистрировали объем профильтровавшейся жидкости и через
определенные интервалы времени (5 - 90 минут) отбирали пробы фильтрата. Для всех
отобранных проб проводили записи электронных спектров поглощения в
ультрафиолетовой области на спектрофотометре СФ-2000. Для каждого этапа
эксперимента строили графики зависимости приведенной оптической плотности
фильтрата Dпр от объема фильтрата ω, рассчитанного на 1 г сухого вещества образца
торфа (рисунок 6).
Анализ результатов показал, что фенол и гваякол непрочно связываются твердой
фазой торфа и полностью вымываются из образца фильтрующейся через него водой.
Для определения интенсивности выноса загрязняющих веществ из торфа на той же
установке проводились испытания образцов торфа, отобранных на болоте Конинник с
глубины 1 - 3 м. Через образцы пропускали дистиллированную воду, периодически
отбирали пробы фильтрата и проводили химический анализ на содержание тех же
загрязнителей, которые определялись в процессе мониторинга.
13
1
Dпр
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
1000
этап №1
2000
этап №2
3000
4000
ω, 5000
мл/г
этап №3
Рисунок 6 – Зависимости приведенной оптической плотности от объема фильтрата
По результатам опытов получены зависимости снижения удельной концентрации
поллютантов от расхода воды:
C
 a b ,
(2)
С0
где ∆С – снижение концентрации поллютанта в фильтрате, мг/л;
С0 – начальная концентрация поллютанта в фильтрате, мг/л;
ω – расход воды в литрах на 1 г образца;
a, b – параметры, зависящие от вида поллютанта (таблица 2).
Наибольшей скоростью вымывания характеризуются аммоний солевой, фосфаты и
лигнинные вещества. Для полного вымывания этих поллютантов необходимо
профильтровать объем воды порядка 1,2 л на 1 г твердой фазы торфа. У нефтепродуктов
и фенолов этот процесс протекает медленнее. Путем экстраполяции данных можно
определить, что для полного вымывания фенолов потребуется 3,8 л/г, а для
нефтепродуктов – 11 л/г.
Поллютант
Фенолы
Нефтепродукты
Аммоний солевой
Фосфаты
Лигнинные вещества
Таблица 2 – Параметры уравнения (2)
Параметр уравнения
a
0,67
0,55
0,97
0,97
0,94
b
0,30
0,25
0,10
0,14
0,09
В главе 4 «Оценка скорости самоочищения болота» приведены результаты
численного моделирования гидрогеологического режима болота и предложен метод
14
прогноза продолжительности выноса поллютантов с загрязненного торфяного массива
до состояния, допускающего хозяйственное освоение территории.
В главе
обосновывается 4-е положение, выносимое на защиту.
Численное моделирование болота Конинник выполнялось в программном
комплексе «PLAXIS 3D», позволяющем учитывать основные гидрогеологические
показатели (коэффициенты фильтрации в горизонтальном и вертикальном
направлениях, гидравлический уклон), а также количество выпадающих осадков.
Исходные параметры торфа (коэффициент пористости, удельный вес, модуль
деформации) принимались по результатам лабораторных испытаний, коэффициенты
фильтрации в горизонтальном и вертикальном направлениях взяты по результатам
определения водопроницаемости на приборе собственной конструкции.
Рельеф поверхности болота и глубина торфа задавались по данным инженерногеодезических и инженерно-геологических изысканий. Приток атмосферных осадков в
модели принимался по данным гидрометеостанции г. Онега за вычетом испаряемости.
В качестве расчетной модели грунта была использована модель Мора-Кулона.
Модель разбивалась на 15-узловые элементы с размером сторон не более 1,5 м.
Границы модели задавались полностью водонепроницаемыми, за исключением
поверхности болота и северной торцевой плоскости (места стока поверхностных вод с
болота).
По результатам моделирования был сформирован фильтрационный поток
грунтовых вод, позволяющий определять направление и скорость движения воды в
любой точке болотного массива.
В связи с тем что уменьшение концентрации загрязняющих веществ в торфяном
массиве происходит за счет инфильтрации дождевых и талых вод и выноса их
грунтовыми водами, а значит, зависит от скорости движения грунтовых вод и времени,
применив уравнение (2) к торфяному массиву, получим:
C
 a b  a  t   a b  t b  kt b ,
b
С0
(3)
где ΔС – снижение концентрации поллютанта, мг/л, C  С0  С ;
С0 – начальная концентрация поллютанта, мг/л;
ν – скорость движения грунтовых вод, м/год;
t – время наблюдения, год.
После преобразований получаем:

C  С0 1 ktb

(4)
Анализ данных мониторинга показал, что зависимость концентрации поллютантов
от времени может быть выражена уравнением (4) с показателем степени b, полученным
в ходе лабораторных испытаний по промывке загрязненного торфа.
Расчетные кривые, построенные с использованием уравнения (4), показали
достаточную сходимость результатов с данными мониторинга (R = 0,75÷0,94)
(рисунок 7). Параметр k для каждого поллютанта приведен в таблице 3. К сожалению,
15
как указывалось выше, в ходе мониторинга не удалось выявить причины колебаний
концентрации фосфатов.
Таблица 3 – Параметр k уравнения (4)
Поллютант
Параметр k
Фенолы
0,48
Нефтепродукты
0,37
Аммоний солевой
0,51
Фосфаты
Лигнинные вещества
0,58
Фенолы
0,5
0,5
0,4
С, мг/л
С, мг/л
0,4
0,3
0,2
0,2
0,1
0,0
2004
0,0
2004
2008
2012
2016
2020
Аммоний солевой
300
2008
2012
2016
2020
Лигнинные вещества
250
С, мг/л
15
С, мг/л
0,3
0,1
20
Нефтепродукты
10
5
200
150
100
50
0
2004
2008
2012
2016
2020
0
2004
2008
2012
2016
2020
Рисунок 7 – Изменение концентрации поллютантов на глубине 1-3 м на посту №2:
1 - данные мониторинга, 2 - расчетные кривые, 3 - фоновые значения,
4 - среднее фоновое значение, 5 - ПДК
Дополнительные контрольные испытания были проведены для 5 точек,
расположенных на различной глубине, в которых концентрация ряда поллютантов была
определена в 2002 и 2004 гг. В 2016 году в данных точках выполнен отбор контрольных
проб грунтовых вод и сделан их химический анализ. Используя начальные
концентрации поллютантов в 2002 и 2004 гг. и определив среднегодовую скорость
16
движения грунтовых вод, вычисляли концентрации поллютантов в контрольных точках
по состоянию на 2016 г. Данные расчета и мониторинга хорошо коррелируют, что
говорит о работоспособности разработанного метода.
Успешная верификация свидетельствует о возможности прогнозирования
продолжительности выноса поллютантов с болота на основании проведенных
лабораторных испытаний и численного моделирования.
Метод прогноза включает в себя следующие этапы:
1. Проведение систематического мониторинга (не менее 2-3 лет) исследуемой
природно-техногенной системы, включающего контроль химического состава
грунтовых вод на опорных постах, расположенных с учетом источников негативного
воздействия, с отбором проб 2-3 раза в год преимущественно летом и осенью.
2. Лабораторные
испытания
по
определению
интенсивности
выноса
контролируемых поллютантов из загрязненного торфа. В ходе опытов моделируется
вымывание поллютантов из торфа грунтовыми водами и определяются параметры
зависимости C С  f   .
0
3. Численное моделирование гидрогеологического режима объекта исследования с
целью определения скорости и направления движения грунтовых вод.
4. Построение расчетных кривых изменения концентрации во времени с помощью
уравнения (4) и их верификация по данным мониторинга.
5. Расчет продолжительности выноса поллютантов в заданной точке по формуле:
tb
C
,
k  С0
(5)
где ΔС – заданное снижение концентрации поллютанта, мг/л;
С0 – начальная концентрация поллютанта, мг/л;
С0 – начальная концентрация поллютанта, мг/л;
k, b – параметры, зависящие от вида поллютанта.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования:
1. В результате обзора предшествующих исследований обобщены и
систематизированы данные по последствиям размещения отходов на заболоченной
территории, интенсивности и продолжительности выноса поллютантов из торфяного
массива, водно-физическим и сорбционным свойствам торфа. Анализ источников
показал, что загрязненные болота представляют собой природно-техногенные системы,
самоочищение которых возможно за счет выноса поллютантов грунтовыми водами.
Отмечен значительный разброс данных по водопроницаемости и сорбционным
характеристикам различных типов торфа.
2. Мониторинг, выполнявшийся в течение 13 лет на болоте площадью 4,5 км2,
ранее служившем местом размещения промышленных отходов и выпуска сточных вод,
подтвердил возможность самоочищения загрязненного торфяного массива за счет
17
разбавления поллютантов дождевыми и талыми водами и выноса их потоком грунтовых
вод. Впервые получена экспериментальная зависимость интенсивности выноса
поллютантов из торфяного массива грунтовыми водами, которая, описывается
степенным уравнением ∆С/C0=aωb, где ∆С/C0 – удельное снижение концентрации
поллютантов, ω – расход воды, a, b – параметры, зависящие от вида поллютанта.
3. Предложена конструкция прибора и реализован метод определения
водопроницаемости торфа в вертикальном и горизонтальном направлениях на одном и
том же образце кубической формы. Экспериментами установлено, что для исследуемого
торфа зависимость коэффициента фильтрации kf от давления p описывается уравнением
kf = k0e-bp, причем коэффициент k0, равный коэффициенту фильтрации неуплотненного
торфа, при горизонтальной фильтрации в 4,7 раза больше, чем при вертикальной.
4. Разработана конструкция прибора и реализован метод определения сорбционной
способности торфа по отношению к поллютантам, содержащимся в фильтрующейся
жидкости, и выноса поллютантов водой из загрязненного торфа. Впервые исследована
сорбционная способность верхового торфа по отношению к двухкомпонентному
раствору фенола и гваякола. Выявлено, что исследованные вещества непрочно
связываются твердой фазой торфа и выносятся потоком воды.
5. Предложен и верифицирован метод прогноза продолжительности выноса
поллютантов из торфяного массива. В его основе лежит численное моделирование
гидрогеологического режима болота и лабораторные исследования водопроницаемости
и сорбционных характеристик торфа. Метод позволяет определять сроки
восстановления заболоченной территории и обосновывать методы ее строительнохозяйственного освоения.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы:
В практике инженерной подготовки заболоченных территорий для хозяйственного
освоения наиболее распространенными являются методы осушения и пригрузки.
Осушение, выполняемое, как правило, путем устройства открытого систематического
дренажа, сопровождается уплотнением торфяной залежи под собственным весом торфа
и его усадкой. Метод пригрузки песком позволяет сформировать основание для
перемещения и работы строительной техники. Обычно оба метода выполняются
последовательно.
Осушение и пригрузка торфяного массива, подвергшегося загрязнению в
результате складирования промышленных и бытовых отходов, приводят к резкому
увеличению интенсивности выноса поллютантов в начальный период времени их
реализации. По мере консолидации интенсивность выноса поллютантов будет
замедляться из-за снижения водопроницаемости торфа.
По мнению академика В.И. Осипова,
одним из эффективных методов
осуществления адаптационного принципа природопользования, в частности, при
размещении промышленных объектов, является освоение нарушенных территорий на
основе научно-обоснованного районирования. Применительно к объекту исследования
районирование следует вести, опираясь на две группы факторов: антропогенных и
природных. К антропогенным относится концентрация поллютантов в грунтовых водах,
конструкция дренажной сети и устройств, регулирующих сток с болота, к природным -
18
водопроницаемость торфа, климатические факторы, мощность торфяной залежи и
уклоны минерального дна болота.
Районирование позволит разделить территорию болота на участки по возможности
и срокам их строительного освоения, функциональному назначению, а также
определить методы инженерной подготовки отдельных участков.
Предложенная численная модель гидрогеологического режима болота позволяет
выполнить долгосрочный прогноз изменения скорости движения грунтовых вод и
интенсивности выноса поллютантов, в том числе после проведения мероприятий по
инженерной подготовке территории. С ее помощью можно подобрать оптимальные
технологические параметры инженерной подготовки (расположение и глубина дрен,
мощность отсыпаемого песка, время отсыпки) для выделенных участков болота с
учетом минимизации вреда окружающей среде.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В
СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ
Публикации изданиях 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.
Тельминов И. В. Исследование фильтрационных свойств верхового торфа /
И. В. Тельминов, А. Л. Невзоров // Известия высших учебных заведений. Лесной
журнал. – 2011. – № 3 (321). – С. 152-154.
2.
Невзоров А. Л. Фильтрационная анизотропия верхового торфа /
А.Л. Невзоров, И. В. Тельминов // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология,
геокриология. – 2012. – № 3. – С. 276-282.
3.
Тельминов И. В. Оценка сорбционной способности верхового торфа /
И. В. Тельминов, Л. А. Вешнякова, А. М. Айзенштадт, А. Л. Невзоров // Вода: химия и
экология. – 2013. – № 2 (56). – С. 104-108.
4.
Тельминов И. В. Изучение выноса загрязняющих веществ с заболоченной
территории / И. В. Тельминов // Вестник МГСУ. – 2015. – № 4. – С. 115-125.
5.
Тельминов И. В. Прогноз продолжительности
выноса загрязняющих
веществ с заболоченной территории / И. В. Тельминов, А. Л. Невзоров // Вестник
Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия:
Строительство и архитектура. – 2015. – Вып. 42(61). – С. 25-38.
Статьи, опубликованные в журналах, индексируемых в международных
реферативных базах Scopus, Web of Science и др.:
6.
Telminov I. V. Results of long-term monitoring of swamp purifying process /
I. V. Telminov, A. L. Nevzorov // International Multidisciplinary Scientific GeoConference
Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM. – 2016. – Book 5. Vol. 2. –
pp. 679-686.
19
Публикации в других изданиях:
7.
Тельминов И. В. Прибор для определения фильтрационных свойств торфа /
И. В. Тельминов // В сборнике трудов межд. науч.-практ. конф. «Строительство-2011». –
Ростов -на-Дону: Рост. гос. строит. ун-т, 2011. – С. 154-156.
8.
Тельминов И. В. Использование торфяных массивов для доочистки
сточных вод / И. В. Тельминов // В сборнике трудов всерос. научн. конф. «Молодые
исследователи – регионам». – Вологда: ВоГТУ, 2012. – Т. 1. – С. 393-395.
9.
3. Тельминов И. В. Оценка последствий размещения промышленных
отходов на верховом болоте / И. В. Тельминов // Научный вестник МГГУ. – 2013. – № 3
(36). – С. 104-110.
10.
Тельминов И. В. Оценка скорости самоочищения болота / И. В. Тельминов,
А. Л. Невзоров // В сборнике трудов межд. научн. техн. конф. «Научно-технический
прогресс в строительстве и архитектуре». – Баку: АЗНИИС, 2014. – С. 115-125.
11.
Тельминов И.В. Прогнозная оценка продолжительности восстановления
загрязненного торфяного массива / И. В. Тельминов // В сборнике трудов межд. научн.
конф. «Геоэкологические проблемы национальной безопасности России, техногенез,
инженерная геодинамика и мониторинг инженерных сооружений». – М: МГСУ, 2017. –
С. 32-33.
12.
Тельминов И. В. Исследование изменения во времени гидрохимического
стока с загрязненного болота / И. В. Тельминов, А. Л. Невзоров / В сборнике трудов
межд. научн. конф. «Гидрогеология: наука, образование, практика». – Харьков:
Харьковский национальный университет, 2017. – С. 135-137.
Патентные документы:
13.
Прибор для определения коэффициента фильтрации / Невзоров А.Л.,
Тельминов И.В.. Патент № 97532 Рос. Федерация. № 2010117094/28; заявл. 29.04.2010;
опубл. 10.09.2010. Бюл. № 25.
14.
Фильтрационно-адсорбционный прибор / Тельминов И.В. [и др.]. Патент
№ 106748 Рос. Федерация. № 2011111845/28; заявл. 29.03.2011; опубл. 20.07.2011. Бюл.
№ 20.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа