Аннотация
В статье рассмотрена проблема ведения мониторинга оползневых процессов на городских полигонах коммунальных отходов, последствиями которых могут стать залповые выбросы ядовитых веществ в атмосферу, загрязнение водных объектов и возникновение биолого-социальных чрезвычайных ситуаций. Представлены результаты исследований территории действующего полигона отходов с применением материалов аэрофотосъемки, фотограмметрической обработки изображений, построения цифровой модели местности и наглядного отображения опасных участков, на которых формируется тело оползня.
Введение
Среди опасных геологических явлений, приводящих к гибели людей и уничтожению объектов народного хозяйства, специалисты в области гражданской защиты в особую категорию выделяют оползни. Механизм возникновения оползня заключается в нарушении устойчивости склона: сила, связывающая слагающие породы под воздействием природных или техногенных факторов оказывается меньше силы тяжести, в результате чего происходит движение больших объемов грунта из возвышенных мест в пониженные.
К поражающим факторам оползня относится гравитационное и динамическое воздействие. Общими особенностями ведения поисково-спасательных работ при сходе оползня является необходимость привлечения большого количества спасателей и землеройной техники, короткий промежуток времени для спасения людей.
В начале ХХI века на урбанизированных территориях отмечены техногенные оползни – разрушение склонов и насыпей полигонов твердых коммунальных отходов (ТКО). Принципиальное отличие между оползнями на полигонах ТКО и в природной среде – неоднородность слагаемых грунтов склонов, их плотность и масса. Удельный вес влажной глины составляет 1,6–1,8 т/м3, в то время как плотность отходов без утрамбовывания 0,05 т/м3 , с утрамбовыванием – 0,7 т/м3.
Причинами движения отвалов мусора является превышение нормируемого количества размещаемых отходов и технологии их складирования, выделение воды в ходе химических реакций в теле полигона, насыщение поверхностей талыми водами в весенний период, принудительное увлажнение поверхности в пожароопасный период (10 л на 1 м3 в сутки), пролив воды при тушении пожаров, размытие склонов затяжными дождями. Оползни на полигонах ТКО сопровождаются залповыми выбросами ядовитых веществ в атмосферу, загрязнением поверхностных и подземных водных источников, что приводит к ухудшению санитарно-эпидемиологической и экологической обстановки природно-территориальных комплексов. Известны случаи введения режима чрезвычайной ситуации локального характера, например, 10 августа 2020 г. вследствие пожара на территории полигона ТКО «Левобережный» г. Новосибирска. Кроме повреждений инженерных коммуникаций и нанесения ущерба инфраструктуре территорий, в мире зафиксированы чрезвычайные ситуации на полигонах ТКО, сопровождающиеся человеческими жертвами (табл. 1).
Таблица 1. Оползни на полигонах твердых бытовых отходов, сопровождающиеся гибелью людей
| № п/п | Дата | Место происшествия | Наименование полигона | Количество погибших (чел.) |
| 1 | 10 июля 2000 г. | Филиппины, г. Кесон-Сити | Payatas | 218 |
| 2 | 21 февраля 2005 г. | Индонезия, г. Чимахи | Leuwigaiah | 143 |
| 3 | 21 декабря 2015 г. | Китай, г. Шэньчжэнь | Нengtayu | 90 |
| 4 | 31 мая 2016 г. | Украина, г. Львов | Грибовичская | 3 |
| 5 | 15 марта 2017 г. | Эфиопия, г. Аддис-Абеба | Cauchy | 113 |
Увеличение рисков образования оползней связано с переполнением полигонов ТКО, отсутствием иных хранилищ для вывоза отходов, а строительство новых полигонов ТКО на большем удалении от городских территорий приводит к повышению тарифов на вывоз отходов и к образованию стихийных несанкционированных свалок. В результате происходит продолжение эксплуатации существующего переполненного хранилища. Кроме того, рискам сходу оползней в большей степени подвержены рекультивированные полигоны ТКО, на территории которых нарушались технология размещения и утрамбовывания отходов, а также не соблюдение нормативных углов откосов бортов полигона. Так на одном из полигонов Московской области с крутыми откосами (около 45°) оползень массой примерно в 600 тыс. тонн переместился на расстояние 15-20 м, разрушив дренажную систему, подъездную автодорогу с твердым покрытием, железобетонное ограждение. 20 октября 2022 г. на полигоне ТБО «Новый свет-ЭКО» (Ленинградская область) сошел крупный оползень, на ликвидацию последствий которого потребуется более 1 месяца.
Действующие методические рекомендации МЧС по защите населения и территорий при угрозе возникновения оползневых процессов, направлены на предупреждение природных оползней и не затрагивают объекты техногенного происхождения, к которым относятся полигоны ТКО.
Национальный стандарт РФ по обращению с отходами функционированию свалок и мусорных полигонов предписывает основные требования к эксплуатации объектов, среди которых – регулярный мониторинг территорий полигонов, направленный на предотвращение любой угрозы окружающей среде.
В настоящее время для контроля состояния мусорных полигонов используются технологии с применением материалов аэрофотосъемки. Их целью является расчет точных количественных параметров массы отходов, правильность функционирования сооружений ТБО, ежедневный анализ выбросов вредных газов, выявление и мониторинг термоточек в местах скопления свалочных газов для предотвращения возгорания на свалках, картографирование территории ТБО для прогнозирования техногенных рисков.
Опыту использования аэрофотосъемки при исследовании земельных участков, занятых бытовыми отходами, технологиям выполнения работ посвящены многочисленные публикации, затрагивающие отдельные и общие аспекты плана производственного контроля полигонов ТБО.
В работе Н.Н. Слюсарь, В.Н. Коротаева, Ю.В. Куликовой («Визуальное обследование объектов захоронения отходов с использованием беспилотных летательных аппаратов» // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Прикладная экология. Урбанистика. – 2017. – № 4. – С. 25–36) представлены результаты проведения визуального обследования объектов захоронения ТКО, включающие контроль за формированием рабочих карт полигона, целостности защитных ограждающих дамб, выявление очагов возгорания на свалках, фиксация мест скопления фильтрата и мониторинг состоянии участков, недоступных при визуальном наблюдении с земли.
Применение результатов аэрофотосъемки, выполненной с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с целью оценки остаточной емкости полигонов ТБО описаны в работах Ахметзяновой, Усманова, Курицина, Кузьмина, Гафурова, Сироткина («Применение результатов аэрофотосъемки, полученных с использованием данных БПЛА, для оценки остаточной емкости полигона отходов на примере республики Татарстан» // Вестник Удмуртского университета. – 2021. – Т. 21. Вып. 4. – С. 404–415).
В настоящее время различные коммерческие организации, предлагают свои услуги для картографирования полигонов ТБО с помощью БПЛА. В целях централизованной инвентаризации действующих полигонов ТБО, Российским экологическим оператором (РЭО) совместно с ФГБУ «Центр лабораторного анализа и технических измерений по Центральному федеральному округу» в 2022 г. выполняется проект по воздушному сканированию территории складируемых отходов. Аэрофотографические материалы, полученные при съемке полигона ТБО, позволяют создавать высокоточные матрицы рельефа и структурированные 3D-модели местности и инженерных сооружений на исследуемой территории. В дальнейшем полученные трехмерные данные могут быть отображены в ГИС и интерпретированы высокоточными инженерными системами. В представленных публикациях основной упор сделан на использовании полученных трехмерных данных для проведения любых геометрических измерений, построения разрезов и профилей, анализа инфраструктуры и локальной деятельности на объекте, выявления допущенных нарушений при складировании отходов – выход отвалов за границы отведенного земельного участка и их неравномерность размещения. Такие исследования соответствуют нормативным требованиям ведения мониторинга, в котором опасность воздействия полигонов ТКО на прилегающую территорию оценивается по результатам наблюдений за состоянием атмосферного воздуха, поверхностных и подземных вод, почв, растительного и животного мира. Однако данный документ не устанавливает обязательного требования к организации мониторинга за состоянием склонов, следовательно, отсутствуют любые данные для прогнозирования оползневых процессов.
Сложность ведения мониторинга за состоянием склонов полигона ТБО существующими методами обусловлена невозможностью фиксирования контрольных точек из-за постоянных изменений вследствие поступления новых отходов, работы бульдозеров, скреперов и катков-уплотнителей, воздействия атмосферных осадков. Тем не менее, количественная оценка предполагаемой зоны обрушения уклонов мусорного полигона возможна по результатам выполненной аэрофотосъемки.
Материалы и методы
Объектом исследования является территория Гусинобродского полигона твердых коммунальных отходов, расположенного в правобережной части г. Новосибирска. Площадь полигона составляет около 0,49 км2 . Полигон является крупнейшим в городе, ежедневый объем ввозимых отходов составляет 10 000 м3 .
В рамках экспериментальных исследований выполнена обработка материалов аэрофотосъемки, полученных с помощью камеры Phase One iXU-RS1900 с фокусным расстоянием 90 мм.
Основным продуктом, который используется для мониторинга оползневых процессов, является цифровая модель местности (ЦММ). Методика фотограмметрической обработки включала этапы взаимного ориентирования снимков, построения сети фототриангуляции, создания «плотного облака» точек и построения цифровой модели местности.
В качестве опорных точек использованы контуры антропогенных объектов местности, уверенно опознаваемые на снимках, такие как резко очерченные линии асфальтового покрытия, а также основания опор линий электропередач. Особенность планирования опорной сети заключалась в невозможности расположения точек внутри полигона, ввиду отсутствия четких контуров. Схема расположения опознаков приведена на рис. 1.
Рисунок 1. Схема расположения опорных точек на Гусинобродском полигоне ТКО
Планово-высотная привязка опознаков осуществлялась путем спутниковых определений их координат относительно пунктов постояннодействующих базовых станций двухчастотным ГНСС-приемником Topcon статическим методом.
Средние погрешности определения планового положения опознаков относительно базовых станций составили 1 см, средние погрешности высот – 2 см (табл. 2). С учетом пространственного разрешения на местности 10 см/пиксель, исходные данные позволяют использовать материалы для создания топографических планов масштаба 1 : 1 000.
Результаты
Обработка материалов аэрофотосъемки выполнена в программном продукте Agisoft Metashape 1.8.2.
Таблица 2. Оценка точности построения фототриангуляции
| Назначение точек | СКП XY, м | СКП Z, м |
| Опорные | 0,005 | 0,001 |
| Контрольные | 0,010 | 0,096 |
На рис. 2 показан результат создания цифровой модели местности в виде светотеневой отмывки рельефа.
Рисунок 2. Цифровая модель местности
Созданная цифровая модель местности позволяет выполнять построение профиля высот, а также определение объема как отдельного фрагмента, так всего полигона относительно средней плоскости или заданной высоты (рис. 3).
Рисунок 3. Измерение геометрических характеристик:
а) построение профиля, б) определение объема
Предупреждение чрезвычайных ситуаций на полигонах твердых бытовых отходов, связано со своевременным выделением участков, подверженных возникновению оползневых процессов. Для этих целей в программном продукте Agisoft Metashape предусмотрена функция отображения уклонов, позволяющая наглядно продемонстрировать опасные участки, в отличие от традиционного представления ЦММ (рис. 4).
Рисунок 4. Отображение уклонов
Представление модели в виде уклонов в соответствии с выбранной палитрой (рис. 5) позволяет выделить обрывы с опасными углами откосов бортов полигона.
Рисунок 5. Палитра отображения уклонов
В данной палитре небольшие значения уклонов отображаются светлым оттенком, а обрывы и уклоны, близкие к отвесным, показываются в виде черных контуров, что позволяет отличить ровные поверхности, естественные и насыпные грунты, оценить форму и параметры уклонов.
Заключение
Рост динамики техногенных оползневых процессов на полигонах твердых коммунальных отходов тесно взаимосвязан с достижением их проектной мощности, особенностей природно-климатических факторов и нарушений норм складирования. Выполненные исследования позволяют предложить собственникам полигонов технологию проведения мониторинга оползневых процессов, основанную на выделении обрывов и уклонов.
Таким образом появится возможность оперативного реагирования и предупреждения чрезвычайных ситуаций, связанных с возникновением оползней на территории полигонов коммунальных отходов, которая направлена на выполнение государственных программ в области защиты здоровья населения и охраны окружающей среды.
Авторы статьи: Чермошенцев А.Ю., Ламков И.М., Приданова О.В.
Опубликовано в научно-аналитическом журнале «Сибирский пожарно-спасательный вестник», 2023, №1. – с. 16-23.