Мониторинг свалок твердых бытовых и промышленных отходов в Иркутском районе по данным космических снимков

Суть динамической перфорации схожа со статической. Для достижения гидроудара и разрушения уплотненной зоны, получившейся в результате воздействия кумулятивного заряда на породу, в состав перфоратора включается эмплозивная камера. Эм-плозивная камера (камера с атмосферным давлением) открывается до момента выстрела перфоратора, в результате чего после окончания воздействия кумулятивного заряда на горную породу давление в стволе скважины равно нулю (перфоратор находится под пакером) (рис. 4б). В этот момент происходит гидроудар на пласт, уплотненная зона разрушается и шлам из перфорационного канала выносится в ствол скважины. Данный процесс происходит до заполнения эм-плозивной камеры и выравнивания давления. Объем эмплозивной камеры расчетный и высчитывается исходя из непосредственных горно-геологических условий (чтобы не допустить смыкания трещин). В результате данной операции фильтрационные свойства пласта восстанавливаются до 80% от начальных, в то время как статическая перфорация может дать только 40-50% от начальных фильтрационных свойств.

Таким образом, преимуществами кумулятивной перфорации с применением динамической депрессии являются:

1. Большая глубина перфорационного канала (до 1 м) позволяет:

преодолеть зону проникновения фильтрата бурового раствора и получить лучшую фильтрацию нефти из пласта;

провести качественную соляно-кислотную обра-

ботку пласта.

2. Динамическая депрессия позволяет очистить канал от уплотнённой породы, получившейся в результате воздействия кумулятивного заряда и поднять фильтрационные свойства пласта до 80% от первоначальных величин.

3. Возможность создать ориентированную перфорацию (для гидроразрыва).

Выводы:

1. Оптимизация конструкции скважины путем исключения направления на скважинах с полным поглощением в интервале кондуктора позволяет осуществить заметную экономию капитальных вложений.

2. Экономия, указанная в первом пункте, может быть использована для увеличения глубины установки технической колонны в кровлю мотской свиты для перекрытия соленосных отложений. Изменение конструкции позволит произвести двухколонное перекрытие соленосных толщ, что снижает риск смятия колонны в интервалах солей, обеспечивает условия для выбора оптимального бессолевого бурового раствора для качественного вскрытия пласта и повышения дебита нефти.

3. Вторичное вскрытие кумулятивной перфорацией на динамической депрессии эксплуатационной колонны может дать лучшие результаты, чем окончание скважины открытым стволом за счет преодоления кумулятивным каналом зоны фильтрации бурового раствора в пласт и разрушения и вымыва уплотненной породы из перфорационного канала в момент создания динамической депрессии.

Библиографический список

1. Технология бурения нефтяных и газовых скважин: учебник для вузов / под ред. А.И. Спивака. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2003. 509 с.

2. Басарыгин Ю.М., Будников В.Ф., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Технологические основы освоения и глушения нефтяных и газовых скважин: учебник для вузов. М.: «Недра-Бизнесцентр», 2001.

3. Инструкция по расчету обсадных колонн для нефтяных и газовых скважин (руководящий документ). М., 1997.

4. Фокин В.В., Поляков В.Н., Сонин В.Н., Кузнецов Р.Ю. Промысловый опыт борьбы с поглощениями в сложных геолого-технических условиях Восточной Сибири // Нефтегазовое дело. 09.09.2009 [Электронный ресурс]. 1^1.: http://www.ogbus.ru/authors/Fokin/Fokin_1.pdf

УДК 521.21: 621.3

МОНИТОРИНГ СВАЛОК ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ОТХОДОВ В ИРКУТСКОМ РАЙОНЕ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКИХ СНИМКОВ

© С.С. Тимофеева1, Л.В. Шешукова2, А.Л. Охотин3

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Обобщены первые результаты совместных исследований по разработке методологии мониторинга несанкционированных свалок на примере Иркутского района. Сформулированы требования к данным дистанционного зондирования, выполнение которых необходимо для четкого выделения по снимкам мест несанкционированного размещения твердых отходов, разработан алгоритм обработки данных космических снимков, обоснованы требования к материалам космической съемки и получен космический снимок съемочной системы WorldView-2. На осно-

1Тимофеева Светлана Семеновна, зав. кафедрой промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности. Timofeeva Svetlana, Head of the Department of Industrial Ecology and Life Safety.

2Шешукова Лариса Витальевна, старший преподаватель кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89643548055, e-mail: shelgeodez@istu.edu

Sheshukova Larisa, Senior Lecturer of the Department of Surveying and Geodesy, tel.: 89643548055, e-mail: shelgeodez@istu.edu

3Охотин Анатолий Леонтьевич, зав. кафедрой маркшейдерского дела и геодезии, тел.: 89149 269895, e-mail: ohotin@istu.edu Okhotin Anatoly, Head of the Department of Surveying and Geodesy, tel.: 89149269895, e-mail: ohotin@istu.edu

ве визауального дешифрирования космического снимка выявлены несанкционированные свалки. Разработан тематический слой цифровой карты с созданием базы данных объектов в ГИС ArcView. Ил. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: несанкционированные свалки; бытовые и промышленные отходы; мониторинг; космические снимки; дистанционное зондирование земли.

MONITORING DUMPS OF SOLID DOMESTIC AND INDUSTRIAL WASTE IN THE IRKUTSK REGION BY

SATELLITE IMAGERY DATA

S.S. Timofeeva, L.V. Sheshukova, A.L. Okhotin

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.

The paper summarizes the first results of joint researches on developing methodology for monitoring unauthorized dumps by the example of the Irkutsk region. The authors formulate requirements to the data of remote sensing, which are compulsory for clear identification of unauthorized solid waste dump locations by space images. The algorithm for processing satellite imagery data is developed, requirements to the materials of satellite imagery are grounded, and an image from WorldView-2 satellite is obtained. Based on visual decoding of satellite imagery the unauthorized dumps have been detected. A thematic layer of the digital map with object database creation in GIS ArcView has been developed.

3 figures. 5 sources.

Key words: unauthorized dumps; household and industrial wastes; monitoring; satellite imagery; earth remote sensing.

Все то, что производится, добывается и потребляется, рано или поздно превращается в отходы. Безопасное обращение с отходами относится к важным экологическим проблемам. Отходы производства и потребления представляют собой серьезный источник загрязнения окружающей среды опасными для здоровья человека веществами. По данным американских исследований, промышленный рабочий «производит» примерно в 8 раз больше твердых промышленных отходов, чем бытовых, образующихся в среднем на одного городского жителя. Обыкновенный служащий на месте работы «производит» мусора в виде официальных бумаг, остатков пищи, использованных газет, бумажных полотенец и др. столько же, сколько и дома.

Из огромных объемов добываемого в мире минерального сырья, исчисляемого десятками миллиардов тонн, непосредственно в производстве используются менее 5-10%, остальное количество сырья представляет собой отходы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности.

Проблема твердых отходов сегодня в полной мере не решена ни в одной стране мира, их утилизация остается на повестке XXI века. По утверждению В.И. Вернадского, ни один вид не сможет выжить в созданных им отходах. Отходы необходимо включать в природный цикл, удалять или использовать. Россия занимает территорию в 17,1 млн км2, и на каждого жителя приходится 11,4 га общей площади. В среднем каждый житель потребляет продукцию с 2 га земли, равную 40 т в год. Ежегодно в Российской Федерации образуется около 7 млрд т всех видов отходов, из которых используется лишь 2 млрд т (28,6%). Главной проблемой сегодня являются несанкционированные свалки, которые встречаются повсеместно. Свалки являются признаком несоответствия экологическим стандартам жизнедеятельности городов и других населенных территорий, поскольку в настоящее время промышленность и жилые массивы производят большое количество отходов, бесследно переработать которые невозможно по причинам технологического и

экономического характера.

В Российской Федерации, как и во многих странах мира, вопросы утилизации и захоронения возложены на органы местного самоуправления, которые с этой задачей не справляются. Федеральным законом от 6 октября 2006 года №131-ФЗ «Об общих принципах организации местного самоуправления в Российской Федерации» определены функции этих органов. В поселениях они организуют сбор и вывоз бытовых отходов и мусора, в муниципальных районах - утилизацию и переработку бытовых и промышленных отходов, в городских округах сбор, вывоз, утилизацию и переработку бытовых и промышленных отходов. На уровне регионов принимаются свои законодательные акты. Так, в Иркутской области принят закон «Об отдельных вопросах использования и охраны земель в Иркутской области» № 99-03 от 21 декабря 2006 г. (пост. законодательного собрания Иркутской области от 20 декабря 2006 год) № 27 (10-3С). Среди проблем, практически не решаемых муниципалитетами, является проблема обнаружения несанкционированных свалок твердых бытовых и промышленных отходов.

Решение проблемы мониторинга несанкционированных свалок можно решать методами дистанционного зондирования Земли из космоса [4]. Тем более, что сегодня на базе Иркутского государственного технического университета создан центр космических услуг, который имеет мощную материальную базу для решения подобных задач. Совместно двумя кафедрами ИрГТУ - промышленной экологии и безопасности жизнедеятельности и маркшейдерского дела и геодезии, при участии компании «Совзонд» проводятся исследования по созданию системы мониторинга твердых бытовых и промышленных отходов на территории Иркутской области.

В настоящей работе обобщены первые результаты совместных исследований по разработке методологии мониторинга несанкционированных свалок на примере Иркутского района Иркутской области. Этот район находится вблизи крупного промышленного

города, занимает площадь 1132,4 тыс. га, на его территории находится 21 муниципальное образование и проживает 72,3 тыс. человек [1].

Согласно принятой сегодня терминологии несанкционированные свалки - это многочисленные, крайне пространственно распределенные и в основном небольшие по площади объекты. Вокруг одного поселка городского типа может располагаться от нескольких десятков до полутора сотен мест несанкционированного размещения твердых отходов. Вокруг городов это число возрастает на порядок.

Приведем основные виды несанкционированных свалок:

1) коммунально-бытовые свалки встречаются наиболее часто и наиболее мелкие по площади (до нескольких квадратных метров), состоят из бытовых отходов - упаковочные материалы, полимеры, пластмасса, стекло, бумага);

2) рекреационные свалки включают в основном те же виды мусора, что и предыдущие, но очень изменчивы в размерах - от гектаров до нескольких квадратных метров (часто это просто дисперсно распределенный по территории мусор);

3) строительные свалки состоят из стройматериалов - бетон, остатки блоков, битый кирпич, деревянные обрезки и т.п.;

4) промышленные свалки могут включать самые различные виды мусора, в зависимости от направленности предприятия, часто включают металл;

5) сельскохозяйственные свалки - навоз, перегнившая солома, сено и т.п.;

6) лесохозяйственные свалки - неубранные остатки на вырубках (ветви, сучья, хвоя и т.п.);

7) коммунально-бытовые стоки - воды, сбрасываемые на местность бытовыми предприятиями (бани, прачечные, химчистки и т.п.), а также стекающие из домов. Содержат биоактивные вещества, приводящие к эвтрофированию водоемов;

8) промышленные стоки - то же от промышленных предприятий;

9) сельскохозяйственные стоки - то же от сельхозпредприятий, содержат массу биоактивных веществ.

Мониторинг несанкционированных свалок, основанный на методике контроля мест несанкционированного складирования отходов, опирается на использовании программных и технических средств обработки данных дистанционного зондирования (ДДЗ) и геоинформационных систем.

Эффективность использования космических снимков при мониторинге несанкционированных свалок достигается в сочетании с выборочным наземным контролем и имеющимися электронными картами, цифровыми моделями рельефа, что позволяет оперативно выявлять, картографировать ареалы несанкционированных свалок и наблюдать за их распространением.

Общий подход к методике выявления, картографирования и мониторинга несанкционированных свалок на территории района основан на выполнении следующих процедур:

1. Создание базы данных об особенностях формирования и пространственного расположения свалок на территории района в целях оптимизации технологического процесса.

2. Подбор наиболее подходящих для мониторинга свалок данных дистанционного зондирования (космических снимков), исходя из необходимого пространственного охвата и временной повторяемости мониторинга.

3. Разработка и применение технологии первичной обработки снимков для наилучшего представления на них свалок, а впоследствии и для автоматизированного их выделения.

4. Ввод информации в геоинформационную систему для хранения и анализа данных, а также прогнозирования на их основе.

Стихийные свалки и стоки, формирующиеся в результате несанкционированных действий населения, а также предприятий и организаций, существенно отличаются от организованных полигонов складирования отходов, обычно имеющих большую площадь и полностью оборудованных для безопасного их хранения.

Изучив литературные [2-4] и справочные источники по дистанционному зондированию Земли из космоса в сфере применения в мониторинговых задачах состояния свалок, были определены главные дешиф-ровочные свойства космических снимков:

- в основном содержащиеся в свалках материалы с высокими коэффициентами отражения дают резкое повышение яркости на снимках - белые, светло-желтые, светло-голубые оттенки. Исключение составляют менее отражающие сельскохозяйственные, ле-сохозяйственные и некоторые типы промышленных свалок;

- контуры свалок характеризуются неправильной формой, обычно они вытягиваются вдоль линейных объектов - авто- и железных дорог, склонов речных долин, берегов озер и болот;

- важнейший признак, отображающийся на снимках высокого разрешения (от 60 см до 1 метра) - мелкозернистая текстура, образующаяся за счет неровностей поверхности свалок, слагаемых различными предметами. Несколько более крупная текстура характерна для промышленных и сельскохозяйственных свалок.

Эти дешифровочные признаки позволяют по снимкам высокого разрешения визуально определять и картографировать свалки размером от 10 м2 с очень большой степенью вероятности (до 90-95%). Кроме того, возможна разработка методики автоматического дешифрирования свалок с учетом яркостных характеристик изображения с применением текстурного анализа. Такая задача требует разработки технологий автоматического дешифрирования на базе программного обеспечения ENVI. Для упрощения и ускорения работы по поиску свалок, а также повышения точности их выявления по снимку необходимо на этапе дешифрирования использовать знания о возможном их расположении по отношению к другим антропогенным и природным объектам.

В размещении основных видов свалок наблюда-

ются следующие закономерности:

- строительные, промышленные, сельскохозяйственные свалки и стоки в большинстве случаев приурочены к периферийным частям территорий размещения соответствующих предприятий, причем такие свалки могут находиться как в границах предприятия, так и в непосредственной близости, а в некоторых случаях и на достаточно большом удалении от предприятий. В таком случае свалка часто бывает привязана к одной из дорог, расходящихся от предприятия;

- лесохозяйственные свалки располагаются в пределах свежих вырубок;

- коммунально-бытовые свалки и стоки в основном приурочены к периферийным частям населенных пунктов, дачных и гаражных массивов, к местам редкой застройки, пустырям, рвам. В случае же отдаленного расположения свалки также обычно привязаны к автодорожной сети, часто располагаются вдоль железных дорог;

- рекреационные свалки связаны с местами неорганизованного отдыха.

Также существует и природная приуроченность свалок: они часто располагаются на склонах речных долин, вдоль побережья озер и болот, заполняют овраги и балки, а иногда и долины малых рек, находятся на опушках леса. Свалки, расположенные в лесу, с большим трудом можно выявить даже по космическим снимкам. В целях их обнаружения съемка должна производиться ранней весной или поздней осенью, когда листва на деревьях отсутствует, кроны деревьев разрежены. Под плотными хвойными лесами выявить свалки с использованием ДДЗ невозможно.

Использование всех вышеперечисленных закономерностей позволяет дешифровщикам вести более эффективный и уверенный поиск свалок и стоков, а при автоматической обработке исключить из зоны поиска заведомо невозможные места их расположения.

Исходя из этого, можно сформулировать требования к ДДЗ, выполнение которых необходимо для четкого выделения по снимкам мест несанкционированного размещения твердых отходов:

- при выполнении космической съемки в каждом случае должна быть определена буферная зона вокруг населенного пункта или хозяйственного объекта (5-25 км), в пределах которой предполагается наибольшая концентрация свалок, и эта территория также обязательно должна быть охвачена съемкой;

- необходима съемка с высоким пространственным разрешением - не уже 1 метра; разрешение 5060 см на местности позволит дешифрировать скопления твердых отходов с наибольшей степенью вероятности;

- обязательна многозональная съемка для получения цветных изображений и использование инфракрасного канала (для выявления стоков);

- повторяемость съемки должна быть не реже 1 раза в год. Для повторной съемки можно в некоторых случаях заменять снимки высокого разрешения данными среднего разрешения (не уже 4 метров на местности).

Результатом обработки снимков должна стать полноценная геоинформационная система (ГИС), включающая тематические слои о состоянии свалок со всей необходимой атрибутивной информацией.

а)

б)

в)

Рис. 1. Изображение контура свалки на космических снимках (район поселка «Березовый»): а - снимок ОшокБЫ, 18.06.2002 г.; б - снимок ОшскБМ, 18.06.2002 г.; в - снимок веоЕуе-1,10.10.2010 г.

В течение 2002-2011 гг. проводилось выявление свалок на территории Иркутского района методом космической съемки, в результате чего были получены цифровые фотоснимки в видимом диапазоне спектра 0,4-0,7 мкм с линейным разрешением на местности (ЛРМ) 0,5 м и гиперспектральные изображения в диапазоне 0,4-0,9 мкм с ЛРМ = 2 м (рис. 1). Так, по космическим снимкам была отслежена динамика образования несанкционированной свалки в районе пос. «Березовый» (см. рис. 1). На рис. 1,а отображен старый городской полигон ТБО, закрытый в 1989 году. По состоянию на 2002 год он частично использовался как площадка для складирования. К 2006 году помимо площадки хранения на полигоне образовалась самовольная свалка строительного мусора (рис. 1,6). К 2010 году число единиц хранения сократилось, но, с другой стороны, увеличился отвал строительного мусора. При этом дорога к отвалу выглядит часто используемой, то есть захоронение отходов происходило до самого последнего времени (рис. 1,е).

При мониторинге важным моментом текстурного анализа является правильный выбор элементарного участка (окна) изображения. Размер участка должен содержать достаточное количество информации для обеспечения однозначного вывода признаков. В программе обработки предусматривался выбор размера

окна изображения, измеряемого в пикселях (16x16, 32x32, 64x64) и зависящего от ЛРМ изображения и размера элемента текстуры распознаваемого объекта. По изображениям свалок, полученным в результате космической съемки с ЛРМ = 0,5 м, было установлено, что размер элемента текстуры Ь = 5-7 пикселей, а размер окна сканирования - 16x16 пикселей.

В результате обработки изображений космосъем-ки 2011 г. были выявлены свалки, контуры которых наносились на цифровую карту местности в ГИС ArcView с заполнением атрибутивной информации объекта (рис. 2). Сопоставление разновременных (2002, 2006, 2010 гг.) материалов аэросъемки позволили выявить новые объекты и оценить динамику площади существующих свалок для разработки предложений по очередности их ликвидации.

При этом были решены следующие задачи:

- обоснованы требования к материалам космической съемки;

- на основе визуального дешифрирования космического снимка выявлены несанкционированные свалки;

- разработан тематический слой «Свалки» цифровой карты и к нему создана атрибутивная база данных объектов в ГИС ArcView (рис. 3).

Сводная информация:

Идентификатор (Ш) 84

Муниципальное образование Марковское

Принадлежность к зоне землепользования Землирекреакции интенсивного регламентированного использования

Координаты центра (долгота, широта) 104° 10' 43.02" Е; 52° 11' 59.58" N

Площадь, га 10,76

Период возникновения 2002-2006

Средний угол наклона, град. 3,5

Тип склона Очень пологие

Результаты натурного обследования:

Тип свалки Организованная

Тип мусора Бытовой

Расположение В лесу

Негативные процессы на

прилегающей территории

Комментарии Закрытая недействующая свалка

Рис. 2. Паспорт свалки на геопортале ИрГТУ на территории Марковского муниципального образования

Рис. 3. Границы свалки на территории Ушаковского муниципального образования

Таким образом, проблема мониторинга несанкционированных свалок на основе ДЗЗ из космоса имеет

все предпосылки для разработки и постановки его на территории Иркутского района.

Библиографический список

1. Иркутский район Иркутской области. [Электронный ресурс]. URL: http://www.pribaikal.ru/514.html

2. Бакланов А.И. Системы наблюдения и мониторинга: учеб. пособие. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2009. 234 с.

3. Шовенгердт Р.А. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений: учеб. пособие / пер. с англ. А.В. Кирюшин и А.И. Демьяников. М.: Техносфера, 2010. 560 с.

4. Токарева О.С. Обработка и интерпретация данных дистанционного зондирования Земли: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 148 с.

5. Бровкина О.В., Скорописов Д.Ю. Мониторинг свалок твердых бытовых и промышленных отходов (на примере территории Кронштадского района г. Санкт-Петербурга) // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012. Т. 9. № 1. С. 153-155.