Теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период (16.03.2009)

Автор: Корецкий Владимир Евгеньевич

Противогололедная реагентная обработка автомагистралей определяет комплекс негативных воздействий на урбосистему мегаполиса, что вызывает необходимость оптимизации методов обработки дорожных покрытий и номенклатуры используемых средств, исходя из экономических факторов, минимизации экологических последствий, а также методов утилизации снежной массы, содержащей противогололедные реагенты (ПГР). Фрикционный способ борьбы с зимней скользкостью (песок, шлак, высевки) практически не находит применения из-за значительного возрастания объема вывозимых на дорогу материалов. В тоже время переход на «чистые» реагенты увеличивает экологическую нагрузку на ПТС города.

При объемах снежной массы и льда, образующихся в Москве, особенно важным является точный подбор номенклатуры и порядка применения реагентов и комплексирование уборки снега с методами утилизации снежной массы. До недавнего времени выбор ПГР определялся стоимостными показателями, без учета воздействий на урбосистему. Это привело к практическому уничтожению фитоценозов вдоль магистралей, интенсифицировало разрушение дорожных покрытий, металлических и железобетонных конструкций, инженерных коммуникаций города и вызывало активное загрязнение водной системы региона.

Снегоудаление в северном мегаполисе являются одним из важнейших вопросов в процессе управления гомеостазом урбосистемы, в создании устойчивой ПТС мегаполиса. Значительные объемы снега требуют его утилизации, и эта проблема решается в г. Москве путем создания системы снегосплавных пунктов различных типов.

Процессу плавления на снегосплавных пунктах предшествует процесс дробления снежно-ледяных масс. Проектирование дробильного оборудования базируется на физико-механических свойствах чистого льда, однако, это не совсем верно, т.к. снежно-ледяные массы с городских территорий всегда загрязнены примесями твердых частиц и растворов. Эффективность работы снегосплавных пунктов на территории Москвы в значительной степени определяется конструктивным совершенством дробильных агрегатов и обоснованностью выбора их технологических режимов.

Специфика перерабатываемого материала предопределяет трудности в анализе теорий, которые могли бы отразить реальную модель физико-механических свойств снежно-ледяной массы. Нами были оценены возможности применения для снежно-ледяных и ледяных масс, в процессе их разрушения, результатов изучения других материалов, в частности, металлов. Согласно классическим представлениям, процессы разрушения, пластической деформации и плавления реализуются существенно отличающимися механизмами. При выделении энергетической составляющей этих процессов, несмотря на различия, их можно описывать с единой точки зрения как процессы нарушения кристаллической решетки поликристаллических материалов, что основано на возможности приведения различных видов энергии к единому критерию.

Идея энергетического подобия процессов разрушения и плавления оказалась весьма плодотворной при рассмотрении различных вопросов пластической деформации и разрушения. В первом приближении можно использовать линейную зависимость между теплоемкостью материала и его пределом прочности для любых поликристаллических тел, в том числе - для снега и льда. Для целей наших исследований этот результат означает, что существуют предельные концентрации загрязнений, при которых прочность ледяных глыб еще соответствует природному льду (по данным гляциологических наблюдений). При их превышении начинается резкий рост прочности льда, что требует изменения параметров дробилок на снегосплавных пунктах в сторону увеличения мощности и/или изменения дробящего инструмента.

Процессы плавления природного снега и льда изучает гляциология. Никаких урбанистических воздействий на снежно-ледяные горные или полярные покровы в реальности практически нет, а поэтому они и не могли быть предметом научного анализа в гляциологии. Феноменологические исследования процессов таяния снегов на сельскохозяйственных территориях также не содержат каких бы то ни было теоретических моделей процессов таяния. С другой стороны, эти вопросы имеют большое значение для северных мегаполисов, испытывающих острый дефицит территорий для сезонного складирования снежно-ледяных масс.

Современные технологии переработки убираемого снега определяются, прежде всего, способом таяния снега - естественным, в период оттепелей и весной, или принудительным – за счет использования энергии различных теплоносителей: теплых вод городской канализации; сбросных вод ТЭЦ; различных видов топлива. Важным моментом при разработке технологий утилизации снега являются условия сброса талых вод, которые определяются экологическими и техническими требованиями к приему сбросных вод в системы водоотведения или в водные объекты.

Установлено, что проблема обеспечения приемлемого экологического состояния мегаполиса в зимний период сложна и многогранна. Только проведение комплекса разносторонних и многоплановых мероприятий, базирующихся на научной оценке их взаимного влияния друг на друга, позволит достичь успеха. На основе системы наблюдений за снеговыми выпадениями и ходом температур, необходимо оценить количество выпадающих осадков; изучить по специальной программе состояние дорожных покрытий города с целью подготовки к уборке больших количеств снега. При этом необходимо обосновать номенклатуру противогололедных реагентов для снижения скользкости дорожного полотна; выбрать тип утилизационных сооружений, разработать конструктивные и технологических решения; определить оптимальные режимы и параметры процессов дробления и плавления снежно-ледяных масс. Решение этих задач может быть выполнено только с использованием методов физико-математического моделирования реализуемых технологических процессов. В целом, комплексный подход к решению поставленных задач и оптимальное сочетание научно-обоснованных конструкторско-технологических решений по их реализации позволят добиться эффекта в достижении приемлемого экологического состояния водной системы мегаполиса в зимний период.

Глава 2. Анторопогенное воздействие загрязненных снежных масс на водную систему мегаполиса (на примере Московского региона)

Для определения уровня антропогенного воздействия загрязненных снежно-ледяных масс на экологию московской водной системы был проведен анализ объемов и загрязненности убираемого снега.

Объемы убираемого с городских дорог снега. Процесс уборки снега с дорожных покрытий г. Москвы связан со значительными затратами на транспортирование, утилизацию снежно-ледяных масс и очистку талых вод. Поэтому площадь уборки определяется главным образом необходимостью очистки дорог с интенсивным движением транспорта.

Результаты проведенного статистического анализа измерений снежного покрова в Московском регионе за последние 30 лет показывают, что его средняя толщина составляет 55 см, максимальная – 125 см. При этом, средний многолетний слой воды в снеге составляет 100 мм, максимальный - 220 мм. Обработка многолетних данных по динамике образования снежного покрова позволила построить интегральные диаграммы выпадения снега на единицу площади (1 км2) убираемой от снега территории для лет различной обеспеченности по выпавшему снегу. Для Москвы, при фактически убираемой площади, равной 76 млн. м2, расчетный объем вывозимого снега составляет 36 млн. м3 в год 80 % обеспеченности по выпавшему снегу.

В настоящее время в Москве решение проблемы утилизации вывозимой с дорог снежной массы базируется на использовании индустриальных методов, к которым относятся:

- устройство постоянных мест складирования снега с очистными сооружениями – «сухих» снегосвалок;

- устройство снегосплавных пунктов на крупных коллекторах городской канализации и промывных водах ТЭЦ, обладающих мощным гидравлическим и термическим потенциалом, способным утилизировать значительное количество снежной массы;

- использование для таяния снега камер принудительного таяния с применением дизтоплива, газа или других источников тепла.

Загрязненность убираемого с дорог снега. Исследования показали высокий уровень загрязненности городского снега. Средние значения характерных загрязняющих веществ изменяются для различных районов города в значительных пределах (табл. 1). Пробы снега содержали большое количество взвешенных веществ, биологически трудно окисляемых органических соединений, солей жесткости. Содержание хлоридов превышало ПДК в 9-20 раз, сульфатов – в 10 раз. Концентрация ионов токсичных металлов (железа, марганца, лития, цинка, меди, молибдена, кобальта, кадмия) превышала ПДК от 1,5 до 73 раз. Содержание нефтепродуктов и фенолов превышало ПДК соответственно от 40 до 190 и от 1,5 до 5 раз.

Таблица 1

Средние значения характерных загрязняющих веществ в снеге

Вещества Размерность Показатели

Взвешенные вещества мг/л 159-952

БПК5 мгО2/л 4,46-10,37

Азот аммонийный мг/л 0,90-11,82

Хлориды мг/л 21,25-598,0

Натрий мг/л 20,71-589,4

Калий мг/л 27,2-130,9

Железо мг/л 0,870-2,759

Марганец мг/л 0,214-0,906

Цинк мг/л 0,037-0,119

Свинец мг/л 24,7-45,73

Нефтепродукты мг/л 3,12-57,20

СПАВ мг/л 0,633-1,623

Как показал анализ полученных данных, наиболее существенными и характерными являются загрязнения взвешенными веществами, нефтепродуктами и хлоридами:

- среднее значение концентрации взвешенных веществ, равное 974 мг/л, имеет место в 25% случаях;

- среднее значение концентрации нефтепродуктов, равное 23,78 мг/л, имеет место в 30% случаях;

- среднее значение концентрации хлоридов, равное 1385 мг/л, имеет место в 35% случаях.

Значительное влияние на загрязненность городских снежно-ледяных масс оказывают противогололедные реагенты, используемые для борьбы с зимней скользкостью.

Возникновение зимней скользкости. Показатели температуры воздуха, количества осадков и дней, когда отмечались снегопады и формирование льда, высота снежного покрова определяют потребность в противогололедных реагентах. Для оценки этой зависимости разработана прогнозная модель процесса образования скользкости на покрытии зимних дорог, позволяющая учесть влияние противогололедных реагентов на величину коэффициента сцепления шин автомобиля с поверхностью покрытия дороги. Применение модели позволило установить следующее:

- минимальный коэффициент сцепления и максимальный период просыхания характерны для дорожных покрытий, обработанных растворами MgCl2 и CaCl2, время испарения которых в 2,6 и в 3,4 раза соответственно больше, чем раствора NaCl;


загрузка...