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

Размещено на http://www.allbest.ru/

теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период

Специальность 25.00.36 «Геоэкология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

КОРЕЦКИЙ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

Москва 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профеcсионального образования Московском государственном строительном университете.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Сметанин Владимир Иванович

Доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Медведев Виктор Тихонович

Доктор технических наук Смирнов Александр Дмитриевич

Ведущая организация: Закрытое акционерное общество «Научно-исследовательский и проектно-изыскательский институт экологии города»

Защита состоится 28 мая 2009г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д.212.138.07 при ГОУ ВПО Московском государственном строительном университете в зале заседаний Ученого совета МГСУ по адресу: 129337 Москва Ярославское шоссе д.26, тел./факс 8(495)188-15-87

С диссертацией можно ознакомиться в Научно-технической библиотеке ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета

Автореферат разослан « »__________2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Потапов А.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Глобальным социально-экономическим процессом начала третьего тысячелетия можно смело назвать урбанизацию. Развитие городов - процесс объективный, сопровождающийся глубоким антропогенным изменением природы, заменой естественных экосистем - природно-техногенными системами, а для городов - урбосистемами. Управление урбосистемой города должно опираться на принципы планирования экологической градостроительной деятельности, на подходы экологического строительства, то есть, иными словами, следовать методологии Н.Ф.Реймерса об экологизации, в данном случае - экологизации градостроительного планирования.

Необходимость экологизации градостроительного планирования приобретает особое значение для крупных населенных пунктов с многомиллионным населением и развитой промышленностью. Тем более, если эти населенные пункты и особенно мегаполисы, такие как Москва, расположены в северных областях со сложной климатической обстановкой с длительным зимним периодом. Развитие и функционирование крупного северного города неизбежно приводит к необходимости удаления снега и борьбы с обледенением дорог. Для северных мегаполисов характерен значительный объем применяемых противогололедных реагентов и разнообразие поступающих с ними химических элементов, что приводит к существенным изменениям химического состава городских биотопов, вызывает изменение и деградацию видового состава обитающих в них сообществ организмов (городских биоценозов). Применительно к Московскому региону особенно опасным в этой связи является загрязнение открытой водной системы реки Москвы и прилегающего Окского бассейна.

Правильный выбор комплексных методов защиты окружающей среды, осуществление строительства на экологических принципах и обеспечение экологической чистоты, в частности, водных систем мегаполиса, является актуальной задачей для всего мирового сообщества и, в особенности, для стран, расположенных в северных широтах земного шара.

Необходимость обеспечения требований охраны окружающей среды в части экологической безопасности жилищно-коммунальных услуг определены государственным стандартом РФ (ГОСТ Р 51617-2000). В этой связи в настоящее время представляется весьма актуальной задача разработки теоретических и практических основ инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период и ее реализация в масштабах такого крупного города как столица России - г. Москва.

Объектом исследований в диссертационной работе является природно-техногенная система (урбосистема) крупного мегаполиса и ее важнейшая геоэкологическая составляющая - водная система, а именно, водная система Московского региона. Предмет исследования - комплекс методов инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период. экологический безопасность водный мегаполис

Цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое обоснование и разработка методов эффективной инженерной защиты водной системы мегаполиса в зимний период для обеспечения её экологической безопасности на базе принципов экологического строительства и охраны природно-техногенной среды.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- выявить закономерности формирования природно-техногенной системы (ПТС) мегаполиса и основные геоэкологические факторы, влияющие на её гомеостаз;

- обосновать возможности применения принципов экологизации строительной деятельности, градостроительного экологического планирования и управляющих действий человека в поддержании гомеостаза ПТС мегаполиса;

- обследовать экологическое состояние гидросферы мегаполиса с использованием физико-химических и микробиологических методов;

- на основе анализа статистических данных провести оценку объемов и периодичности выпадения снега и рекомендовать номенклатуру эффективных противогололедных реагентов для применения на дорожных покрытиях мегаполиса в зимний период;

- разработать физико-математические модели процессов дробления и плавления снежно-ледяных масс города и на их основе дать практические рекомендации по реализации научно-обоснованных конструктивно-технологических решений при проектировании городских объектов утилизации снежно-ледяных масс перед сбросом их в водную систему региона;

- разработать для непосредственного использования комплексную систему мероприятий и рекомендации по строительному обустройству и конструктивным решениям охраны гидросферы мегаполиса от антропогенных нагрузок в зимний период.

Методика выполнения исследований:

- теоретическое обобщение и анализ процесса формирования урбосистем мегаполисов с выявлением главных особенностей их функционирования в сложных географо-климатических условиях (в северных широтах и в зимний период);

- анализ эколого-градостроительных особенностей формирования урбосистем;

- обобщение и анализ геоэкологических и экологических особенностей гидросферы мегаполиса;

- физико-математическое моделирование процессов дробления и плавления загрязненных снежно-ледяных масс для разработки практических рекомендаций по решению конструктивно-технологических вопросов проектирования сооружений по утилизации снега;

- разработка оптимальных требований к применяемым в условиях мегаполиса противогололедным реагентам и их композициям, исходя из определенного баланса реагентов, экологической емкости территории и стоимостных показателей;

- внедрение комплекса мероприятий по утилизации снега и применению противогололедных реагентов и проверка их технико-экономической эффективности в условиях функционирования мегаполиса.

Методологической основой работы явились современная теоретическая база общей и инженерной экологии, геоэкологии, фундаментальные работы отечественных и зарубежных ученых по проблемам экологии и геоэкологии Реймерса Н.Ф, Моисеева Н.Н., Осипова К.А., Осипова В.И., Кононовича Ю.В., Минина А.А., Потапова А.Д., Пупырева Е.И., Теличенко В.И., Соколовского В.В., Яншина А.Л., Броека Д., Карслоу Г., Егера Д. и др.

Достижение поставленной цели и достоверность полученных, в том числе лично автором, результатов теоретических исследований основываются на базе использования математических методов; на сборе, обобщении и анализе, с использованием современных информационных технологий, обширных статистических данных по функционированию устройств обработки и утилизации снежно-ледяных масс, как объектов антропогенного воздействия на водную систему города; на непосредственном участии автора в производственных экспериментах и во внедрении разработанной методологии в практику эколого-градостроительной деятельности в Москве.

Научная новизна работы определяется системным подходом к решению крупной научно-технической проблемы - разработке теоретических принципов и практических мер обеспечения инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период и заключается в следующем:

1. Впервые объективно изучены антропогенные воздействия на водную систему мегаполиса в зимний период и обоснованы меры по ее защите. Для этого был предложен новый подход, заключающийся в рассмотрении мегаполиса, как развивающейся формы урбанизации с определением геоэкологических факторов обеспечения гомеостаза урбосистемы и обоснованием необходимости экологического градостроительного планирования мегаполиса.

2. Впервые системно организованы и обоснованы знания о характеристиках городских снежно-ледяных масс как на основе анализа статистических и экспериментальных данных, так и на основе оригинальных физико-математических моделей.

3. Предложена новая методика расчета теплофизических характеристик снегоплавильных камер для плавления загрязненной снежно-ледяной массы.

4. Определены закономерности возникновения зимней скользкости на городских дорогах и предложены новые направления использования противогололедных реагентов, базирующиеся на ограничении отрицательных воздействий на природную среду города.

5. Впервые научно обоснованы рекомендации по созданию комплексной сезонной инженерной защиты водной системы города.

Практическая ценность работы.

Результаты работы представляют собой теоретическую основу принятия эколого-градостроительных решений при создании эффективных комплексных инженерных систем снегоудаления и утилизации снежно-ледяных масс крупных городов и мегаполисов в целях обеспечения их экологической безопасности.

При непосредственном участии автора была разработана стратегия сезонной инженерной защиты водной системы города и успешно внедрен комплекс мероприятий по снижению антропогенных воздействий на водную систему Московского региона, нашедший свое отражение в реализуемой Генеральной схеме снегоудаления в г. Москве. Разработанные принципы инженерной защиты водной системы и предложения по конструктивным решениям снегосплавных пунктов используются в других городах России - г. Санкт-Петербург, г.Уфа.

Материалы, полученные в диссертации, также вошли в учебное пособие «Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период» для студентов строительных ВУЗов.

Основные защищаемые положения:

- теоретическое обоснование закономерностей формирования природно-техногенной системы мегаполиса и необходимости инженерно-экологической защиты его водной системы при обработке и утилизации городских снежно-ледяных масс;

- теоретическое обоснование подходов к градостроительному планированию на принципах экологического строительства и природоохранной деятельности;

- теоретическое обоснование закономерностей процессов плавления загрязненных снежно-ледяных масс на базе созданных физико-математических моделей;

- методика расчета теплофизических характеристик снегоплавильных камер для плавления загрязненной снежно-ледяной массы;

- теоретическое и экспериментальное обоснование оптимального выбора номенклатуры противогололедных реагентов по экологическим и технико-экономическим показателям;

- конструктивно-технологические, строительные и организационные решения по переработке загрязненных городских снежно-ледяных масс, как управляющие действия по поддержанию гомеостаза ПТС мегаполиса;

- обоснование комплексного подхода к улучшению экологической ситуации мегаполиса при снегоудалении в целях защиты его важнейшей жизнеобеспечивающей геосферной оболочки - водной системы.

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований, изложенные в диссертационной работе, доложены и обсуждены на 3-ем Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2003; на 6-м Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2004", М.: 2004; на 4-ом Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2005; на 7-м Международном Конгрессе "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2006", М.: 2006; на 5-ом Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК-2007, М.: 2007

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликованы 30 научных работ, в том числе 19 статей в научно-технических журналах и сборниках научных трудов, 5 докладов на международных научно-технических конгрессах, монография «Зимняя уборка магистралей города», М.: 2002, учебное пособие «Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период», М.: 2004, монография «Коммунальная экология. Энциклопедический справочник», М.: 2007. Получено 3 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, и списка использованной литературы. Работа изложена на 296 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 23 таблицы. Список использованной литературы включает 238 источников, из них 193 отечественных и 45 иностранных авторов.

Автор выражает глубокую признательность коллективам кафедры УПТС МГСУ, ГУП «МосводоканалНИИпроект» и МГУП «Мосводоканал» за большую помощь в подготовке диссертации, в организации экспериментальной части работы и оформлении результатов научных исследований.

ГЛАВА 1. Экологические проблемы северных мегаполисов

Современное состояние биосферы характеризуется негативной тенденцией к ускорению глобального экологического кризиса, что обусловлено ростом общей численности населения и ускоряющейся урбанизацией. Негативный вклад в воздействие техногенеза на биосферу внесло строительство, в частности создание городских поселений. Важной особенностью техногенеза, в том числе и в строительстве, является его интенсивность, превышающая скорость протекания природных процессов. Для городского поселения характерна многофункциональная пространственная организация человеческой деятельности. Представление о городе, как о процессе и одновременно - динамической природно-техногенной системе базируется на том факте, что город порожден жизнедеятельностью человека, а жизнедеятельность самого города обусловлена сформированной совокупностью важнейших компонентов окружения: социального, экономического, ландшафтно-композиционного, управленческого и экологического.

Специалисты в урбоэкологии выявили ряд специфических проблем экологического характера в глобальной тенденции к урбанизации. Это, в первую очередь, формирование мегаполисов, которые являются, собственно, предметом нашего исследования. Мегаполис представляет собой крупнейшее городское поселение, занимающее значительную площадь с исключительно высокой плотностью населения, с исторически сложившимся ландшафтом, сочетающий в себе социальные, экономические, производственные, культурные, образовательные и жилищные компоненты. По своей форме - это сложнейший мозаичный комплекс из различного рода объектов, обеспечивающий социально-производственные запросы населения. С экологической точки зрения мегаполис является гипертрофированной формой городского поселения и отражает в целом определенный уровень развития техногенеза, который практически отрицает возможность существования мегаполиса как открытой (природной) системы, он может существовать на грани гомеостаза и стресса только как, в определенном смысле, закрытая система с управляющими действиями человека.

Общая геоэкологическая обстановка в крупных городах и мегаполисах страны исключительно сложна: более чем в 200 городах России средняя за год концентрация загрязняющих веществ в атмосферном воздухе превышает предельно допустимую; выявлено более 1200 очагов активного загрязнения подземных вод; проявления опасных природных и природно-техногенных процессов геологического характера отмечены практически во всех городах.

В основу мероприятий по формированию гомеостаза урбосистемы мегаполиса должен быть положен принцип научной оценки ее элементов и их воздействий на среду, наличие обратной связи, а главное - выявление управляющих действий человека, минимизирующих негативные воздействия геоэкологических факторов и активизирующих компенсационные возможности элементов природной среды.

Геоэкологическая среда мегаполиса в настоящее время представляет собой, во-первых, техногенно загрязненные или техногенно измененные территории, освоенные или неосвоенные различного вида строительством, с наличием транспортной и иной инженерной инфраструктуры; во-вторых - городскую атмосферу, в значительной степени техногенно загрязненную или техногенно измененную, с большим содержанием отличных от состава природной атмосферы примесей - химических, физических, механических и других; в-третьих, техногенно загрязненную или техногенно измененную гидросферу как поверхностную, так и подземную - урбогидросферу, инженерной защите которой и посвящены выполненные исследования.

Для водных систем важны не только количественные характеристики величин загрязнений, но также динамика их формирования и виды взаимодействия загрязнений различного происхождения. Все эти факторы участвуют в функционировании процессов распространения и трансформации вещества в системе «почва - вода - водоем». Следовательно, при изучении водной системы становится очевидной необходимость изучения не только водных объектов и происходящих в них изменений, но и объекта более высокой иерархии - фактически, биома, включающего водоем и водосборную площадь.

Загрязняющие вещества в пределах города сбрасываются в водотоки и водоемы с коммунально-бытовыми стоками, а также с поверхностным стоком с городских территорий, который формируется выпадающими атмосферными осадками (дождь, снег, гололед, туман, иней и т.д.), поливными и моечными водами. Его состав определяется технологиями уборки территорий, состоянием ливневой канализации, плотностью застройки, величиной площадей с твердым покрытием, температурными аномалиями, среднемноголетними величинами атмосферных выпадений и их экстремальными значениями.

Особенностью организации системы городского водостока г. Москвы является ее интеграция с гидрографической сетью города. По результатам инвентаризации водных объектов г. Москвы, в настоящее время на территории города находятся 350 водоемов общей площадью 960 га, 140 малых рек, в том числе 40 рек имеют открытые русла, а более 50 - частично заключены в коллекторы. Гидрографическая сеть Москвы является уникальной системой, которая функционирует в единстве и взаимосвязи всех ее звеньев. Практически все реки и ручьи на территории города являются притоками р. Москвы разного порядка, при этом сток всех малых рек и ручьев формируется непосредственно на территории города. Протяженность открытых русел малых рек, ручьев и водоемов на них составляет около 300 км. Помимо транспортной функции, система городских водотоков осуществляет процессы естественного самоочищения воды, заключающиеся в усвоении и переработке загрязняющих веществ водными и донными сообществами микроорганизмов, а также прибрежной растительностью. В московских водоемах одномоментно находится 23,7 млн. м³ воды, используемой как для городского хозяйства, так и для создания рекреационных зон.

Проведенный анализ расположения крупных городов и мегаполисов на территории нашей планеты выявил самую главную особенность г. Москвы. Нет больше ни на одном континенте такого крупного города, который бы при столь большой численности населения (в Москве проживает на настоящий момент более 10 млн. чел.) находился бы в аналогичных географо-климатических, гидрологических, инженерно-геологических условиях. Величины отрицательных и положительных среднемноголетних температур, объемы дождевых и снеговых выпадений в Москве значительно отличаются от других мегаполисов. В частности, продолжительность периода, когда возможны отрицательные температуры в течение нескольких дней и даже недель, составляет более чем 5 месяцев, чего нет ни в одном мегаполисе в мире. Ещё более контрастным является отличие в периоде времени, когда выпадают обильные снеговые осадки, устанавливается постоянный снежный покров на территориях и проходит ледостав на водотоках и водоемах. Дождевые выпадения для Москвы находятся по объемам, частоте и времени в пределах обычных для среднеевропейских крупных городов и таких же городов России.

Экологические проблемы мегаполиса существенно усложняются в связи с необходимостью обеспечения его функционирования в условиях снеговых осадков и низких температур окружающей среды в зимний период. Известно, что снежный покров, аккумулируя значительную часть атмосферных загрязнений, является индикатором техногенной нагрузки на окружающую среду. Концентрации загрязняющих веществ в снеге на два-три порядка выше, чем в атмосферном воздухе, что связано с двумя процессами: влажной седиментацией полютантов во время образования и выпадения снега и процессом сухого осаждения полютантов из атмосферы.

Важнейшим управляющим действием человека на ПТС мегаполиса, расположенного в зоне снежных выпадений является комплекс организационных, инженерных и технических противогололедных мероприятий и уборка снега с магистралей, пешеходных путей, микрорайонных территорий. Это управляющее действие тесным образом связано с городской гидросферой, её экологическим состоянием и во многом определяет возможность обеспечения гомеостаза урбосистемы мегаполиса. Влияние загрязненности убираемого снега на экологическую обстановку в городе определяется огромными площадями, которые заняты дорогами с интенсивной транспортной нагрузкой. В частности, загрязнение нефтепродуктами обусловлено движением транспорта и морозным выветриванием асфальтовых покрытий. Большое количество повторяющихся циклов «замораживания - оттаивания» при отсутствии постоянного снежного покрова, намного превышающее морозостойкость покрытия, приводит к его разрушению и выветриванию, продукты которого осаждаются на дне водотоков и водоемов, и это загрязнение включается во всю трофическую цепь урбосистемы.

Отличиями зимней уборки городских магистралей являются отсутствие мест для складирования снега и качество городского снега. Пылевые загрязнения из-за краткости периода нахождения снега на дорогах не являются существенными, на первый план выступают загрязнения от противогололедных смесей и продуктов разрушения дорожных покрытий. В процессе зимней уборки магистралей возникает необходимость удаления из города значительных объемов загрязненного снега. В Москве объемы вывозки снега зимой измеряются миллионами кубических метров, создавая проблему их утилизации. При ее решении необходима ликвидация воздействия загрязнений в снеге на окружающую среду, в частности, недопустимо складирование убранного снега на газонах, поскольку он загрязнен хлоридами и другими противогололедными реагентами, а это пагубно сказывается на фитоценозах. При замене на реагенты, в основе которых используется мочевина и нитраты, возникает опасность существенного урона водным объектам - гидросфере города. Нами установлено, что все элементы процесса зимней уборки магистралей города взаимосвязаны и поэтому должны рассматриваться как единая, оптимальным образом организованная система.

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;

- величина коэффициента сцепления уменьшается при увеличении концентрации солевых растворов: на покрытиях, обработанных высококонцентрированными (30%-ными и более) растворами, она может быть в 2 раза меньше, чем на дорожном покрытии, увлажненном чистой водой;

- на гладких покрытиях коэффициент сцепления уменьшается до недопустимых по безопасности движения значений - менее 0,28;

- наиболее экономичным и эффективным является применение твердого хлорида натрия и смеси солей натрия и кальция.

Наиболее высокие коэффициенты сцепления имеют место при обработке дорожных покрытий 25%-ным раствором NaCl. При этом установлено, что с увеличением концентрации ПГР коэффициенты сцепления уменьшаются. Наиболее резкое снижение коэффициентов сцепления имеет место для гладкого дорожного покрытия. В связи с этим показано, что при нормировании внесения ПГР необходимо учитывать вид дорожного покрытия.

Влияние противогололедных реагентов на свойства снега и льда. Внесение ПГР в снег способствует увеличению его плотности в связи с тем, что при контакте с реагентами часть снега превращается в раствор, что вызывает уменьшение объема снега. При добавлении реагентов в количестве 1/250 массы снега плотность его увеличивается на 6-8%. Наиболее значительно плотность снега увеличивается, если снег, содержащий реагенты, подвергается перемешивающим и уплотняющим воздействиям колес транспортных средств.

Полученные данные физико-химических исследований в системах «химический реагент - лед» позволяют сделать следующие выводы:

- лед, образующийся из растворов реагентов низкой концентрации, обладает меньшей прочностью и малой силой смерзания с дорожным покрытием по сравнению со льдом из пресной воды;

- изменение свойств льда обусловлено особенностями кристаллизации растворов реагентов при замерзании;

- введение реагентов с низкими эвтектическими температурами в пограничный с покрытием слой льда уменьшает силы смерзания и позволяет полностью удалить лед механическим способом.

Противогололедные реагенты, применяемые для обработки дорожных покрытий г. Москвы. Номенклатура современных ПГР представлена следующими группами, состав которых постоянно совершенствуется:

- хлоридная: на основе хлоридов натрия (NaCl), кальция (CaCl₂), («ХКМ» - жидкий, «ХКФ» и «ХКТ» - твердые), хлоридов магния («Бишофит» MgCl₂, «Биамаг», «ХММ», «Биадор» - твердые), смеси хлоридов кальция и натрия («ХКНМ»);

- ацетатная: на основе ацетата калия («Нордикс» (СH₃СООK) - жидкий), ацетата аммония («Антиснег-1» и «Антиснег-2» - жидкий), кальций/магниевого ацетата Ca/Mg (CH₃CОO)₂ («КМА», «Ацедор» - твердый), ацетата натрия СH₃СООNa, 3-водного ацетата натрия СH₃СООNa3H₂O;

- нитратная: на основе нитратов кальция, магния и мочевины (НКММ [NaNO₃Ca(NO₃)₂Mg(NO₃)₂8CO(NH)₂]- твердый);

- спирто- и гликольсодержащая: метанол СН₃ОН; этанол СН₃СН₂ОН; этиленгликоль СН₂ОНСН₂ОН;

- аммонийная: мочевина NH₂CONH₂;

- формиатная: формиат натрия HCООNa, формиат калия HCООK.

Наибольшее применение в настоящее время нашли реагенты ХКМ (хлористый кальций модифицированный), «Нордикс» (ацетат калия), НКММ (нитрат кальция, магния, мочевины).

Изменение номенклатуры применяемых реагентов характеризуется тенденцией снижения вредных воздействий на окружающую среду. Этапы смены номенклатуры реагентов можно условно определить следующим образом:

- использование хлоридов в смеси с абразивами (фрикционами);

- переход на «чистые» реагенты;

- удобрительные, ингибирующие, бактерицидные присадки к хлоридам;

- применение дорогостоящих ацетатных реагентов.

При этом не происходит ориентация на использование какого-либо единственного способа противогололедной обработки, они применяются дифференцированно по различным автомагистралям с поддержанием экологически приемлемого уровня наиболее дешевых хлоридных реагентов.

Негативные экологические воздействия противогололедных реагентов на окружающую среду. Атмосферные осадки, выпадающие в холодное время года на территорию города, являются основной составляющей поверхностного стока, существующего в это время года в «замороженном» состоянии и обладающего способностью накапливать загрязнения. В отличие от поверхностного стока, формирующегося в теплое время года и обладающего пролонгированным воздействием на водные объекты города, зимний сток поступает в водную систему всплесками во время оттепелей и весеннего снеготаяния, а также, в недавнем прошлом, в виде сбросов снега в реки Москву и Яузу. Исследования показали, что в результате этого во всех без исключения водных объектах города наблюдаются всплески загрязнений воды во время оттепелей и паводка.

Результаты исследований влияния противогололедных реагентов и накопленных загрязнений на физико-химические свойства выпадающего на дорожные покрытия снега показали, что имеет место образование новой физико-химической субстанции - загрязненной снежно-ледяной массы. Поэтому в процессе зимней уборки возникает проблема утилизации этой снежно-ледяной массы путем плавления на снегосплавных сооружениях города с последующей очисткой талых вод.

Решение указанной проблемы потребовало изучения теплофизических и физико-механических свойств снежно-ледяных масс, образующихся на городских магистралях.

Глава 3. Разработка моделей теплофизических свойств городских снежно-ледяных масс для оптимизации характеристик плавильных камер снегосплавных пунктов

Общие основы термодинамики гетерогенных сред говорят о том, что городская снежно-ледяная масса должна иметь интервал температур плавления (и может быть не один), а ее свойства могут резко отличаться от свойств природных аналогов.

Следует отметить, что из-за многообразия действующих факторов лабораторные исследования не могут дать объективную физико-химическую картину происходящих процессов, а постановка натурных исследований на действующей станции, вряд ли возможна по экономическим соображениям. Поэтому для исследования был выбран путь физико-математического моделирования процессов образования и плавления снежно-ледяных масс.

При численном моделировании в качестве исходных данных были использованы данные экспериментальных исследований свойств и состава снежно-ледяных масс на территории Москвы, с этими же данными сравнивались полученные результаты расчетов.

Анализ процесса адсорбции загрязнений из приземного атмосферного слоя в пористом снежно-ледяном слое. В предположении, что газообразные загрязнения не взаимодействуют между собой в силу малости их концентраций, была рассмотрена адсорбция одного загрязняющего вещества. При этом допущении процесс является аддитивным и для полного анализа спектра загрязнений можно воспользоваться принципом суперпозиции, т.е. наложения полей концентраций.

При продувании газообразного загрязнения через слой пористого вещества (снега) один из компонентов газовой фазы, находящийся, как правило, в небольших концентрациях, адсорбируется на твердой фазе. Процесс адсорбции обычных для городского снега загрязнителей протекает с выделением тепла, что способствует образованию зародышей ледяной фазы и переходу снежной массы в снежно-ледяную. Здесь необходимо отметить, что в природных условиях, вне урбанизированных территорий, этот процесс зависит только от климатических условий.

В ряде случаев можно также пренебречь продольной диффузией вещества снежно-ледяного слоя, а также продольной теплопроводностью вещества и твердого "скелета". Предполагается, что в начальный момент концентрация адсорбируемого вещества в снежно-ледяном слое равна нулю, а величина теплового эффекта адсорбции пренебрежимо мала.

При указанных приближениях была сформулирована теплообменная задача, результаты решения которой позволили оценить влияние параметров адсорбции на теплообменный процесс в снежно-ледяном слое, а также влияние неизотермичности на процесс адсорбции.

Разработанная физико-математическая модель процесса позволила установить, что в снежно-ледяном слое возникают неравновесные концентрации загрязнений, которые в свою очередь усиливают процессы влагонасыщения и превращения природного (чистого) снега в загрязненный городской.

Моделирование процесса таяния снега в снегоплавильной камере. Для теоретической оценки межфазных теплообменных процессов в снегоплавильной камере, т. е. происходящих в системе: нагретая жидкость (канализационные стоки) - фрагменты твердой фазы (льда), была построена математическая модель, в основных своих чертах адекватная реальным условиям теплообмена. В этой модели, во-первых, рассматривалась задача о теплообмене между жидкостью и изолированным фрагментом твердого тела, имеющим для наглядности решений достаточно простую форму - форму куба. Во-вторых, было оценено суммарное воздействие локальных теплообменных процессов на интегральные теплообменные характеристики смеси.

Рассмотрим задачу о теплообмене между жидкостью и изолированным фрагментом твердого тела (льда).

1. Пусть в жидкости находится твердый кубик со стороной , где v - объем тела. Температура жидкости Т_f выше, чем температура, при которой происходит плавление материала тела, причем плавление происходит, если температура материала находится в интервале (Т_1s,Т_2s), при Т_2s > Т_1s. В этом случае возникает зона расплава материала, ограниченная поверхностями, которые перемещаются во времени вглубь материала. В зоне расплава выделяется теплота плавления, а положение его границ определяется из соотношений баланса тепла для потоков на границах и теплоты, необходимой для плавления материала.

2. В снегоплавильной камере, содержащей смесь нагретой жидкости и фрагментов льда, поддерживается постоянное, хотя и слабое течение, поэтому интенсивность теплообменных процессов в направлении, перпендикулярном направлению потока, существенно больше, чем в направлении потока. Тогда для системы: жидкость - твердое тело можно считать, что температура Т является функцией времени t и одной пространственной координаты - х - в направлении, перпендикулярном направлению потока Т = Т(х,t).

Если эти положения применить к задаче о теплообмене между нагретой жидкостью и находящимся в ней твердым кубиком льда, то она приводится к задаче об одномерном теплообмене между жидкостью и неограниченной пластиной из твердого льда, причем процесс плавления материала происходит симметрично с двух противоположных граней пластины, что схематично показано на рис. 1, на котором линии х=0 соответствует положение одной из граней пластины в момент времени t=0; Х₁(t), Х₂(t) - уравнения границ зоны расплава в момент t, которым соответствуют значения температур плавления T_1s и T_2s.

Рис. 1 Расчетная схема таяния снежно-ледяной массы в снегоплавильной камере

Если приписать трем зонам, участвующим в теплообмене, индексы 1, 2, 3, то для определения искомых функций получим следующую систему уравнений:

(1)

(2)

(3)

- коэффициент температуропроводности j-го компонента городского снега,

- коэффициент теплопроводности j-го компонента городского снега,

- удельная теплоемкость j-го компонента городского снега,

- плотность j-го компонента городского снега .

Уравнение (3) написано с учетом следующих соображений. Если предположить, что тепловыделение в зависимости от температуры во второй зоне происходит равномерно, то тепловыделение в результате плавления материала можно приближенно учесть, приняв для удельной теплоемкости следующее значение:

,

где С₁- удельная теплоемкость жидкости, л - удельная теплота плавления материала.

Как следует из результатов экспериментальных исследований, городской снег в снегоплавильной камере представляет собой снежно-ледяную массу, которая содержит столь значительные многокомпонентные примеси, что их влиянием на процесс плавления пренебречь нельзя. В первом приближении, пренебрегая тепловыми эффектами взаимодействия между компонентами, будем полагать аддитивность и парциальность теплофизических свойств смеси, т. е.

; ; _,

где - массовая концентрация i-ой примеси (i= 1….n) в городском снеге.

Решение уравнений теплопроводности (1) - (3) представляется в виде:

(4)

(5)

(6)

где A_j, B_j - константы,

- интеграл вероятностей.

Константы в решениях (4)-(6) находятся из начальных и граничных условий.

Оценим теперь суммарный результат таяния фрагментов льда в снегоплавильной камере. Если фрагмент является кубиком объемом со стороной , то площадь его грани - , а масса растопленного льда в течение 1 секунды будет равна . Здесь учтено, что плавление происходит одновременно с двух противоположных граней.

Обозначим через n_i - количество фрагментов льда в плавильной камере, имеющих размер, заключенный в пределах (;). Если принять, что объем фрагментов в смеси подчиняется нормальному закону распределения вероятностей с характеристиками и то плотность распределения случайной величины (объема фрагмента) будет такой:



Количество фрагментов, объем которых находится в пределах , приближенно равно:

Тогда общая масса снега, расплавленного в 1 сек., приближенно равна

(7)

Сумма в правой части равенства (7) является интегральной суммой для непрерывной функции .

Следовательно, для оценки массы снега, расплавленного в 1 сек., с учетом известного правила «трех сигм», можно приближенно написать:

(8)

Для проведения расчетов была адаптирована программа «Maple-7», реализующая метод хорд для решения системы нелинейных трансцендентных уравнений. Ниже приведены результаты расчетов по каждой из фаз в рамках алгоритма указанной программы. Все размерные величины были нормированы на их характерные экспериментальные значения при температуре 0⁰С и тем самым вся система расчетных уравнений приведена к безразмерному виду.

График на рис. 2. отображает общий характер распределения коэффициента температуропроводности снежно-ледяных масс, собираемых с городских территорий, в модельном кубическом объеме, реконструированный по усредненным экспериментальным данным зимы 2002/2003 года в Москве, в зависимости от суммарной плотности материала и общего коэффициента теплопроводности при постоянной теплоёмкости.

Рис. 2 Объемное распределение коэффициента температуропроводности а снежно-ледяных масс в зависимости от суммарной плотности и суммарной теплопроводности загрязненного снега К

Так как плотность - есть аддитивная функция загрязнений, то из графика на рис. 2. следует, что существует предельный уровень загрязнений, при котором резко меняются теплофизические свойства городского снега. Именно с этого момента их следует учитывать при проектировании любых снегоплавильных камер. Сравнение расчетных и экспериментальных данных показывает, что суммарное загрязнение снежно-ледяных масс, собираемых с территории города, превышает указанный предел почти в два раза. Но столь резкий (в два раза) рост температуропроводности, означает почти пропорциональное уменьшение теплоемкости. При этом, как видно из