28XIIIМеждународная научно-практическая конференция УДК 528.8, 504.064.47
Мозжегорова Юлия Владимировна Mozzhegorova Yuliya Vladimirovna
Кандидат технических наук, доцент Candidate of technical sciences, assistant professor, Филькин Тимофей Геннадьевич Filkin Timofey Gennadievich
Кандидат биологических наук, научный сотрудник Candidate of biological sciences, Researcher Слюсарь Наталья Николаевна Sliusar Natalia Nikolaevna Доктор технических наук, профессор Doctor of technical sciences, professor, Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Perm National Research Polytechnic University
ОЦЕНКА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОЛИГОНА ЗАХОРОНЕНИЯ ТВЕРДЫХ КОММУНАЛЬНЫХ ОТХОДОВ ПО ДАННЫМ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА
ASSESSMENT OF THE THERMAL REGIME OF THE MUNICIPAL SOLID WASTE LANDFILL FOR ACCORDING TO REMOTE MONITORING DATA
Аннотация: В настоящее время с развитием технологий беспилотных тепловизионных и газовых съёмок появились перспективы использования в дистанционном мониторинге беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для управления полигонами захоронения твердых коммунальных отходов (ТКО). Для оценки теплового режима полигона были проведены дистанционные исследования с использованием БПЛА на полигоне ТКО, расположенном в Пермском крае. Результаты тепловизионного обследования полигона позволили предположить, что, разогрев участков склона полигона связан с притоком тепла изнутри массива отходов, объясняемого утечками биогаза через открытые участки склона полигона захоронения отходов. Основным достоинством использования БПЛА при дистанционном мониторинге является оперативность получения детальной информации о ситуации на полигоне, возможности выполнения сложных наблюдений, зачастую невозможных при наземном обследовании полигонов.
Abstract: Currently, with the development of technologies for unmanned thermal imaging, multispectral and gas surveys, there are prospects for using unmanned aerial vehicles (UAVs) in remote monitoring in the practice of managing municipal solid waste (MSW) landfills. To assess the thermal regime of the landfill, remote sensing was carried out using a UAV at the MSW landfill located in the Perm region. The results of the thermal imaging survey of the landfill allowed us to assume that the heating of the slope of the landfill is associated with the influx of heat from the inside of the waste mass, explained by biogas leaks through the open parts of the slope of the landfill. The main advantage of using UAVs for remote monitoring is the promptness of obtaining detailed information about the situation at the landfill, the ability to perform difficult observations, which are often impossible during a ground survey of landfill.
Ключевые слова: твердые коммунальные отходы, полигон, тепловой режим, беспилотные летательные аппараты, дистанционный мониторинг.
Key words: municipal solid waste, landfill, thermal regime, unmanned aerial vehicles, remote monitoring.
В России практически весь объем образуемых ТКО захоранивается на полигонах и свалках. При эксплуатации большинства полигонов не соблюдаются требования природоохранного законодательства, санитарно-гигиенические нормы и правила.
Неправильная эксплуатация и техническое обслуживание полигона, преднамеренное сжигание отходов, не покрытые изоляционным слоем отходы, выделение тепла из-за биологической и химической реакции на поверхности и внутри массива полигона могут привести к возгоранию отходов. Образование метана (CH4) в предповерхностном слое полигона из-за биологического разложения ТКО приводит к выделению тепла, которое может оставаться даже после закрытия полигона. Если генерируемое тепло не будет эффективно рассеиваться в атмосферный воздух, то температура компонентов ТКО достигнет температуры самовозгорания, что приведет к пожарам на полигонах, которые являются достаточно
XIIIМеждународная научно-практическая конференция непредсказуемыми и могут распространиться на большие расстояния
[1]. Повышенные температуры в массиве полигона влияют на физико-
химические, биохимические и механические свойства отходов, а также
на свойства и конструкцию геосинтетических изоляционных
материалов защитных экранов.
Традиционные методы экологического мониторинга полигонов, связанные с наземными полевыми исследованиями и составлением карт результатов наблюдений, на таких объектах достаточно трудоёмки, требуют существенных финансовых и временных затрат. В настоящее время с развитием технологий беспилотных тепловизионных и газовых съёмок появились перспективы применения БПЛА в практике управления полигонами захоронения отходов.
Перспективы применения БПЛА связаны, главным образом, с получением данных о процессах внутри полигона, что позволит точнее прогнозировать изменения пространственных свойств массива отходов (высоты, углов откосов, площади поверхности, объём размещённых отходов в результате осадок массива), а также лучше моделировать потоки вещества и энергии, которыми полигон обменивается с окружающей его средой (образование и рассеивание биогаза, растекание фильтрата по прилегающим территориям и др.).
В работе [2] по полученным результатам аэрофотосъёмки был выполнен расчёт объёма складированных отходов с целью определения объёма биогаза, выделяющегося с территории полигона. Автором [3] доказана эффективность выявления разогретых участков полигона ТКО в г. Джорджтаун (Малайзия) с помощью беспилотной тепловизионной аэрофотосъёмки.
В работе [4] анализировалась взаимосвязь температуры земной поверхности, определённой по данным тепловизионной съёмки с БПЛА, и детальных наземных замеров эмиссий метана из массива
полигона. В работе [5] предложен способ расчёта потока метана с поверхности полигона только на основе данных тепловой съёмки.
использованием БПЛА были проведены для одного из эксплуатируемых полигонов в Пермском крае. Тепловизионная аэрофотосъёмка полигона проводилась в летний сезон в дневной период в условиях сплошной облачности (температура воздуха - 11-12оС, без осадков). Аэрофотосъёмка проводилась с БПЛА DJI Matrice 200 (DJI M200) с трёхосевым гиростабилизирующим подвесом Zenmuse XT2, оснащённым тепловизионной камерой ZXT2A19SR (спектральная полоса съёмки - 7500-13500 нм). Скорость полёта БПЛА - 5 м/сек. Аэрофотосъёмка интервальная, по времени, интервал между снимками - 2 сек, что соответствует продольному перекрытию снимков, равному 85%; поперечное перекрытие снимков составило 85-
По результатам тепловизионного обследования была построена карта распределения значений температуры и тепловая ЭБ-модель полигона (рис. 1). Обработка материалов осуществлялась в программе Agisoft МйаБИаре, палитра «Нагрев», диапазон значений - от 0о (тёмно-синий) до 20о (ярко-красный).
Рис. 1. Фрагмент тепловой ЭБ-модели полигона захоронения ТКО
Дистанционные термографических исследования с
90%.
XIIIМеждународная научно-практическая конференция По результатам анализа теплового ортофотоплана были сделаны следующие выводы. На полученные результаты большое влияние оказали отражательные и поглощательные свойства поверхностей из-за того, что съёмка проводилась днём. Участки с открытым грунтом на тепловых изображениях выделялись как более нагретые, чем участки, покрытые растительностью, а участки с отходами - как более нагретые, чем участки с открытым грунтом.
На южном (изолированном грунтом и с травяной растительностью) склоне массива полигона была выделена группа участков с открытым грунтом, которые были разогреты намного сильнее, чем грунтовые дороги на полигоне. Их температура соответствовала температуре наиболее разогретых участков с отходами. Сопоставление этих участков на тепловом ортофотоплане выполнено на рис. 2. Красной линией выделены разогретые участки с открытым грунтом на южном склоне массива полигона.
N
Рис. 2. Фрагмент теплового ортофотоплана полигона захоронения
ТКО
Результаты проведенных исследований позволили предположить, что, разогрев участков склона полигона связан с притоком тепла изнутри массива, а именно с утечками биогаза через открытые участки склона полигона захоронения отходов. По данным тепловой аэрофотосъемки полигона были установлены потенциальные
226
«Инновационные аспекты развития науки и техники» места локальной осадки массива захоронения отходов. Также с помощью беспилотной тепловизионной аэрофотосъёмки можно выявить участки полигона с высоким риском развития пожаров, места с уже пережжёнными отходами, а также области с тлеющими внутри массива отходами.
Результаты использования БПЛА для дистанционного мониторинга полигонов захоронения отходов показывают оперативность получения детальной информации о ситуации на объекте, возможность выполнения сложных наблюдений, зачастую невозможных при наземном обследовании объектов.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых российских ученых - кандидатов наук МК-909.2020.5.
Библиографический список:
1. Jafari N., Stark T.D., Thalhamer T. Progression of Elevated Temperatures in Municipal Solid Waste Landfills II Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. - 2017. - Vol. 3.
2. Lopes G., Mozer T., de Carli A. Comparative analysis of biogas generation for the solid waste sector using Unmanned Aerial Vehicle with the Brazilian model of greenhouse gas emissions in areas with no operational history // Bulletin of Geodetic Sciences. 2018. Vol. 24. Is. 1. Pp. 98-124.
3. Nyemas D. Preliminary assessment on land surface temperature map and slope stability at Jelutong landfill: a project report submitted in fulfilment of the requirements for the award of the degree of Master of Engineering (Geotechnics). Malaysia, Johor: Universiti Teknologi Malaysia, 2019. 74 p.
4. Fjelsted L. et al. Assessment of a landfill methane emission screening method using an unmanned aerial vehicle mounted thermal
XIIIМеждународная научно-практическая конференция infrared camera - a field study // Waste Management. 2019. Vol. 87. Pp. 893-904.
5. Tanda G., Balsi M., Fallavollita P., Chiarabini V. A UAV-based thermal-imaging approach for the monitoring of urban landfills // Inventions. 2020. Vol. 5. Iss. 4. 55.
