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

графика плотность массы мало влияет на рост теплопроводности. Отсюда следует, что для плавления того же количества снежно-ледяной массы можно либо уменьшить расход канализационных стоков, либо использовать стоки с меньшей температурой.

Как следует из результатов расчетов, приведенных на рис. 3, зависимость температуры плавления твердого тела от плотности с ростом концентрации загрязнений представляет немонотонную функцию, наличие максимума в которой, по-видимому, свидетельствует о том, что на фазовой диаграмме многофазной системы - городского снега - существует, по крайней мере, одна линия ликвидуса, свидетельствующая о возникновении новой фазы - химического соединения, обладающего более высокой температурой плавления, чем природный снег.

Рис. 3. График зависимости Т_пл(r,L), фаза 3-твёрдое тело

Важно то, что повышение температуры плавления требует увеличения расхода канализационных стоков, что подтверждает данные расчетов, приведенные на рис. 2.

Заслуживают внимания результаты расчетов, приведенные на рис. 4. Видно, что зависимость температуры плавления твердого тела от теплоемкости и суммарного загрязнения, которая для природного снега имеет монотонный вид, в данном случае имеет два четко выраженных локальных максимума и один локальный минимум. Это свидетельствует о двух фактах. Во-первых, это означает, что при наличии в городском снеге загрязнений, вносимых противогололедными реагентами, возникает слоистая структура с двумя неперекрывающимися диапазонами плавления. Если такая структура возникает на проезжей части дороги, то торможение транспорта на этом участке дороги затруднено.

Рис. 4 График зависимости Т_пл(r,С), фаза 3-твёрдое тело

Во-вторых, если такая структура возникает в снегоплавильной камере, то одна часть снежно-ледяной массы полностью расплавится при заданном температурном режиме канализационного стока, а другая часть, требующая большего количества тепла, может создать пробку в отводящем коллекторе. В том случае, если канализационный поток, как теплоноситель, имеет параметры, рассчитанные на более тугоплавкую часть массы, то необходимо в режиме реального времени регулировать его расход. Однако, эффект немонотонной зависимости температуры плавления снежно-ледяной массы от концентрации загрязнений на дорожных покрытиях, который может привести к появлению слоистых жидко-твердых структур, резко ухудшающих сцепление колес транспорта с покрытием, нуждается в дополнительных экспериментальных проверках.

Аналогичный вывод следует из результатов представленных на рис. 5, где в пространстве переменных: суммарная концентрация загрязнений (L), суммарная плотность (), температура плавления расплава (Т_пл), обнаружена сложная немонотонная зависимость температуры плавления от загрязненности городских снежно-ледяных масс. Как и в предыдущих расчетах, здесь использованы безразмерные значения экспериментальных данных. На рис. 5 видно, что максимум Т_пл соответствует примерно 0,5% массовых суммарных концентраций загрязняющих веществ и химических соединений. Как следует из результатов наблюдений, этот уровень достигается весной.

Рис. 5 График зависимости Т_пл(r,L), фаза 2-расплав

Таким образом, расчеты показали, что весной расход теплоносителя - канализационных стоков - должен резко возрастать в связи с пропорциональным ростом массовых суммарных концентраций загрязняющих веществ и химических соединений и, как следствие, столь же пропорциональным ростом теплоемкости снежно-ледяной массы.

Как следует из анализа результатов расчетов, приведенных на рис. 2-5, наличие загрязнений в снежно-ледяной массе приводит к нелинейным и немонотонным изменениям температуры плавления от плотности, которая в свою очередь является аддитивной функцией загрязнений. На всех графиках видны хорошо выраженные зоны пиковых температур плавления снежно-ледяных масс при определенных значениях загрязненности. Понятно, что для плавления таких загрязненных масс нужны более мощные тепловые потоки, чем для обычного снега. Этот результат, также как и предыдущий, подтверждает необходимость регулирования расхода плавящих сред в зависимости от качества снега и от времени года.

Влияние массопереноса на теплообмен в пористой снежно-ледяной массе. Для загрязненного городского снега, содержащего твердофазные солевые растворы, в снегоплавильных камерах следует учитывать не только процессы плавления, но и процессы растворения. Необходимость совместного рассмотрения этих двух процессов требует решения весьма сложной задачи. Эта сложность определяется существованием межфазного энергообмена, т. к. в данном случае имеют место как эндотермические, так и экзотермические процессы при сольватации солевых компонентов городского снега в сточных водах.

Поэтому процессы сольватации рассмотрены в предположении действия принципа суперпозиции, т.е. полагая, что плавление и растворение происходят независимо. Кроме того, предполагалось, что эндо- и экзотермическими эффектами в снегоплавильной камере можно пренебречь. Отсюда следует, что процессы сольватации, как и процессы плавления, идут при постоянной температуре жидкой фазы. Также предполагалось, что снегоплавильная камера работает в стационарном режиме, т.е. расход сточных вод и снежно-ледяной массы постоянен во времени.

Считалось, что слой снега, как на городской территории, так и в снегоплавильной камере, пористый и однородный. При этом, как на городской территории, так и в камере происходит процесс влагонасыщения пористой снежно-ледяной массы. Влага, которой насыщается снег, в свою очередь представляет многокомпонентный водный раствор загрязняющих веществ, как с дорожного полотна, так и из канализационного потока. В обоих случаях механизм влагонасыщения принципиально одинаков. В снегоплавильной камере количество воды в поверхностном слое снежно-ледяной массы поддерживается постоянным.

С помощью построенной, при указанных допущениях, физико-математической модели исследовалось распределение температур в слое для двух предельных случаев: в первом - влияние влаги из-за незначительного ее перемещения мало (это относится к пористым ледяным массам), здесь основным механизмом передачи тепла является кондуктивная теплопроводность; во втором -- фильтрационные потоки велики и перенос тепла обусловлен передвижением влаги (заполнением слоев снежной массы), здесь основным механизмом является конвективная теплопроводность.

В первом случае даже незначительное передвижение влаги приводит к значительным изменениям температуры слоя, т.е. появление механизма смешения канализационных стоков со снежно-ледяной массой приводит к значительной перестройке теплового режима.

Во втором случае происходит интенсивное перемещение влаги и интенсивное смешение ее с твердым слоем. Так как теплообмен между жидкостью и пористой средой происходит на большой межфазной поверхности, то существующая в некоторый момент времени разность температур между жидкостью и слоем исчезает очень быстро. Теплопроводность обусловливает лишь локальное перераспределение температуры. В одном случае скачок температуры будет двигаться к поверхности, и во всем пористом слое (за исключением узкого погранслоя вблизи поверхности) установится температура, равная температуре воды в камере. В другом случае тепловой скачок будет двигаться в сторону сточных вод и температура в пористом слое станет равной температуре сточной воды (за исключением узкого погранслоя вблизи уровня воды).

Анализ решения задачи водообмена для частных случаев ледяной и снежной масс показал, что при расчете характеристик технологических процессов скорость сольватации, а значит и таяния, в результате влагонасыщения падает при движении фронта снизу вверх. Поэтому для увеличения пропускной способности снегоплавильной камеры необходимо обеспечить условия для движения фронта сверху вниз. Технически это обеспечивается обильным орошением поверхности снежно-ледяной массы в камере.

Влияние теплофизических свойств пористой снежно-ледяной массы на процесс ее дробления на снегосплавном пункте. Известно, что при скорости охлаждения атмосферы, которая имеет место в наших широтах в зимнее время на границах циклона и антициклона (<0,5 ^оК/мин), для реальных концентраций примесей в городской снежно-ледяной массе протекает два экзотермических процесса. Первый обусловлен кристаллизацией части воды с образованием льда, а второй - кристаллизацией оставшейся части раствора, обогащённого солями. Концентрация раствора, образующегося после кристаллизации воды из исходного раствора, была условно названа критической концентрацией С_к. Оказалось, что значение С_к практически не зависит от исходной концентрации раствора и скорости охлаждения и определяется набором компонентов раствора.

Важной особенностью подлежащих переработке снежно-ледяных масс городского региона является их морфологическая неоднородность. Прежде всего, она проявляется в слоистой структуре данного материала, представляющей собой сочетание рыхлого и отвердевшего снега (льда). Для оптимизации технологических режимов дробления таких масс необходимо определить уровень энергетических затрат, которые в первую очередь потребуются для разрушения ледяного покрова.

С этой целью анализировался линейно-упругий плоский снежно-ледяной слой, ослабленный серией случайно расположенных трещин в условиях силового и температурного полей. Согласно энергетическому критерию Гриффитса, разрушение начинается, когда приращение энергии деформации при увеличении поверхности разрушения превышает работу, требуемую для образования новой поверхности разрушения. Отсюда были выведены условия неразрушения:

₁ + ₂ , где: (9)

Е = А_р-V - полная потенциальная энергия системы, равная разности работы внешних сил А_р и потенциальной энергии деформации V, L - длина трещин, Т - энергия, высвобождающаяся при единичном приращении длины трещин, ₁ и ₂ - значение энергии, необходимые для образования единичных поверхностей несимметричной трещины в расчёте на единицу длины для границы двух разнородных материалов.

В предположении, что зародышевая трещина в слоисто-чешуйчатой среде имеет длину не более радиуса частицы, был найден максимальный размер частиц и структурных неоднородностей снежно-ледяной массы, при котором самопроизвольного растрескивания, согласно теории Гриффитса, еще не происходит. Полученное выражение позволило оценить допустимый радиус частицы первого рода в плоском элементе снежно-ледяной массы, зависящий не только от величины поверхностного напряжения и напряженного состояния слоя, но также и от вариации физико-механических свойств отдельных частиц, обусловленных критической концентрацией С_к загрязняющих примесей.

Для модельных расчетов полагалось, что в слое исходные частицы первого рода претерпевают изменения формы от близкой к сферической к чешуйчатой, наблюдаемой при микроскопическом исследовании фрагментов снежно-ледяной массы. Так как слой подвергается атмосферным температурным перепадам, оценивалось допустимое температурное воздействие на частицы слоя и был построен набор граничных кривых на плоскости (Т₁-Т₂), где T₁ и Т₂ - температуры частицы и ее окружения в момент формирования слоя.

Как следует из обработки результатов численного эксперимента, опирающегося на измерения концентраций загрязняющих веществ в снежно-ледяных массах, коническое сечение в плоскости (Т₁ -Т₂) имеет вид полосы, ширина и расположение которой определяются вязкостью частицы в момент ее образования, т. е. критической концентрацией С_к загрязняющих примесей. Внутри полосы прочность слоя гарантируется, так как условий для самопроизвольного растрескивания нет, но вне ее прочность снежно-ледяного слоя падает по причине самопроизвольного растрескивания кусков льда. Отсюда следует, что по мере загрязнения снежно-ледяной массы требуемая мощность дробилок падает, например, при работе снегосплавных пунктов в конце зимы. Что же касается границ, то они обусловлены перепадом температур.

Теплофизический расчет расходных характеристик снегоплавильных камер на канализационных стоках. Зависимости теплофизических свойств снежно-ледяных масс (рис. 2-5), полученные в результате моделирования процесса таяния снега в снегоплавильной камере на основе обработки экспериментальных данных позволяют рассчитать объемы канализационного стока, необходимые для стационарного плавления.

Очевидно, что тепловой баланс снегоплавильной камеры достигается при равенстве теплового потока от канализационного стока тепловому потоку равному сумме теплоты нагрева снежно-ледяной массы, её плавления и растворения в стоке, и нагрева получаемого расплава до температуры стока.

G_кс[С₃(T_f - T₀ )] = G_слм.[C₁(T_2s - T_1s) + о +C₂(T₀ - T_2s)] (10)

где:

G_кс - расход канализационного стока через снегоплавильную камеру, кг;

G_слм - расход снежно-ледяных масс через снегоплавильную камеру, кг;

C₁ - теплоемкость твердого вещества (снежно-ледяной массы - фаза 1), Дж/(кг К);

C₂ - теплоемкость расплава (фаза 2), Дж/(кг К);

С₃ - теплоемкость канализационного стока (фаза 3), Дж/(кг К);

о - удельная теплота перехода снежно-ледяной массы из твердого состояния в жидкое в результате плавления и растворения, Дж/кг

T_f - начальная температура канализационных стоков, ^оС;

T_1s - температура поступающей в снегоплавильную камеру снежно-ледяной массы, ^оС;

T_2s - температура расплава, ^оС;

T₀ - конечная температура канализационных стоков, ^оС;

Из (10) следует, что отношение расхода канализационного стока через снегоплавильную камеру к расходу снежно-ледяных масс имеет вид:

(11)

Температурные и теплофизические параметры в (11) являются функциями концентраций загрязняющих примесей. Как и при моделировании процесса таяния снега в снегоплавильной камере, все размерные величины были нормированы на их характерные экспериментальные значения и тем самым расчетные уравнения приведены к безразмерному виду.

Зависимости отношения расходов стока и снежно-ледяных масс от суммарной концентрации примесей в снежно-ледяной массе (L,%) для стационарного процесса плавления при различных значениях температуры окружающей среды представлены на рис. 6.



Рис. 6 Зависимость отношения расходов стока и снежно-ледяных масс в снегоплавильной камере от суммарной концентрации примесей в снежно-ледяной массе при различных температурах окружающей среды

Как следует из этих зависимостей, построенных на базе экспериментальных данных, процесс плавления в снегоплавильной камере принципиально отличается от плавления чистого льда и снега. При концентрации примесей менее 0,5% потребный расход стока возрастает с их увеличением. Можно предположить, что это связано с процессом растворения части примесей, затрудняющим плавление снежно-ледяных масс.

Следует отметить, что загрязнения до 0,5% характерны для относительно «свежих» снежно-ледяных масс. При большом времени их существования на дорогах города весьма вероятно накопление нерастворимых загрязнений, а также протекание реакций, приводящих к появлению нерастворимых форм загрязняющих соединений из растворимых компонентов. Потребный расход стока при этом падает, а нерастворимые фрагменты снежно-ледяных масс выпадают в осадок.

Естественно, что при понижении температуры окружающей среды, а следовательно, температуры снежно-ледяных масс соотношение расходов возрастает.

Исходя из климатических условий Москвы, где обильные снегопады обычно происходят при температурах от 0^оС до - 6^оС, и суммарные концентрации загрязнений не превышают 0,5%, можно рекомендовать при проектировании снегоплавильных камер выбирать расход стоков в 5-6 раз превышающий проектную производительность камеры по снежно-ледяной массе.

Для инженерных расчетов при проектировании можно воспользоваться полученными аппроксимирующими полиномами:

G_кс / G_слм= 2,8 + 12,000L - 19,688L² + 8,594L³ для T_1s = 0^oC

G_кс / G_слм= 3,5 + 17,958L - 27,813L² + 11,979L³ для T_1s = -10^oC

G_кс / G_слм= 4,5 + 26,458L - 42,188L² + 18,229L³ для T_1s = -20^oC

Погрешность расчетов по предлагаемым аппроксимирующим полиномам в диапазоне загрязнений 0 < L < 1,2% составляет не более 5%.

ГЛАВА 4. Формирование градостроительно-экологических принципов управления природно-техногенной системой мегаполиса

Главенствующую роль в возникновении специфической геоэкологической среды города играет техногенез. В рамках данной работы в техногенезе мы, прежде всего, выделяем роль строительства, а точнее градостроительства, в самом же функционирующем городе, а тем более в мегаполисе особо подчеркивается управляющая роль человека в обеспечении жизнедеятельности урбосистемы. Применительно к геоэкологической среде, т.е. биотопу урбосистемы, решаемой в конечном итоге задачей является создание экологически допустимой природно-техногенной системы (ПТС) в модификации строительная система. Понятие «строительная система», введенное А.Д.Потаповым и В.И.Теличенко, 2000г., включает в себя комплексы зданий, сооружений, их основания, а также инфраструктуру обеспечивающих и коммуникационных инженерных сетей с функционирующими в этих комплексах технологиями. На наш взгляд, - это не что иное, как город, городская экосистема, урбосистема. Развивая понятие «строительная система» в рамках последнего выдвинутого нами тезиса, следует согласиться с утверждением А.Д.Потапова, 2004, что приведенное выше определение позволяет расширить границы строительной системы до границ возникающих от неё воздействий, как в поверхностной, так и в подземной гидросфере, в атмосфере, а в литосфере, даже за зону основания сооружений, включая подземные сооружения.

Природно-техногенная система мегаполиса среди всех антропогенных систем занимает самый высокий иерархический уровень. Близкими к этому уровню можно считать ПТС горнодобывающих комплексов, агроценозы значительных площадей, гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции, обладающие аналогичными, масштабными воздействиями на природную среду.

К основным воздействиям ПТС мегаполиса на среду следует отнести:

- значительное объемно-территориальное отчуждение части природной среды с выведением её из обычных условий гомеостаза;

- образование специфической городской гидросферы, характеризующейся техногенным режимом водоносных горизонтов подземных вод (дренированием, подтоплением, утечками из водонесущих коммуникаций, перетеканием вод из различных уровневых положений, загрязнением как химическим, механическим, так и тепловым), изменением режима поверхностных водотоков и водоемов с поступлением в них поверхностного стока с городских территорий, наличием больших объемов снеговых выпадений с обильным весенним таянием, эвтрофикацией, загрязнением сбросами;

- активную нагрузку на элементы литосферы, с созданием техногенно- загрязненных территорий и с разрушением природных почвенных горизонтов или их загрязнением до состояния утери плодородия;

- значительное изменение природного ландшафта вплоть до полной замены его на вторичный ландшафт городской экосистемы (искусственный городской ландшафт техногенного характера);

- изменение практически всех основных параметров городской атмосферы;

- практическое выведение из условий экологической ниши всей биоты.

К числу факторов (или воздействий) природной среды на ПТС мегаполиса следует отнести:

- географо-климатические особенности расположения со всеми параметрами основных жизнеобеспечивающих геосферных оболочек;

- гидрографическую обстановку территории города с зонами основных водотоков, притоков, водоразделов, замкнутых водоемов и болот;

- первичный ландшафт, как ядро будущего мегаполиса; вторичный ландшафт в рамках урбосистемы мегаполиса в состоянии «квазигомеостаза»;

- инженерно-геологические условия города, включая развитие опасных геологических процессов;

- особенности биоценозов и устойчивость экологических ниш для существования различных видов биоты, степень биоразнообразия.

Нахождение ПТС города в зоне гомеостатического плато возможно при реализации управляющих действий человека в закрытой антропогенной экосистеме и наличии компенсационных возможностей и ассимилирующей способности природной среды как открытой системы. При наличии управляющих действий человека становится возможной определенная реконструкция способностей природной среды, что позволяет вывести эту среду из зоны стресса или отдалить от границы разрушения.

Гораздо сложнее дело обстоит с управляющими действиями человека в ПТС мегаполиса. Развитие мегаполиса носит сложный многоаспектный характер и зачастую оно не имеет прямой связи с экологическими причинами, а обусловлено социально-экономическими и иными мотивами. Решение задач природоохранного назначения, в частности, по сохранению главных жизнеобеспечивающих оболочек в урбосистемах крупных городов, возможно только на основе комплексного подхода, сочетающего градостроительно-планировочные и типично природоохранные мероприятия, возведение сооружений или их перепрофилирование на принципах экологического строительства.

Важнейшим элементом управления любой деятельностью, направленной на достижение определенной цели (целей) является планирование. В нашем случае - планирование совместимости городского поселения с окружающей природной средой является средством управления градостроительной деятельностью, направленным на ее экологизацию. Целевой установкой (или задачей управления) является поддержание природной системы региона в состоянии динамического экологического равновесия. Средством достижения этой цели должны быть управляющие воздействия на элементы системы, определяющие ее состояние. К ним относятся регламентируемые градообразующие параметры (численность населения и масштаб производственно-хозяйственной деятельности на территории), меры по биотической компенсации использования природных ресурсов территории и др.

Для решения поставленной в данной работе задачи важным аспектом является планирование процесса создания сезонной инженерной защиты водной системы мегаполиса, такого как Москва, в сложных географо-климатических условиях, при необходимости удаления больших объемов загрязненного снега с автомагистралей, внутримикрорайонных и дворовых проездов.

Основным принципом стратегии комплексного улучшения экологической ситуации в городе в зимний период является системное решение проблемы уборки снежной массы на различных участках дорожной сети города, вывоза и утилизации снега. Такое решение проблемы улучшения экологического состояния Москвы предусматривает разработку технологий, определение типов и конструктивных решений сооружений по переработке убираемого снега, анализ технико-экономических показателей принимаемых проектных решений. Необходимо учитывать направления утилизации, количество и размещение перерабатывающих снег сооружений по административным округам. Требуется также определение оптимальных маршрутов вывоза снега на снегосплавные пункты города.

Проведенная оценка тепловых ресурсов, необходимых для таяния снега показала, что наибольшим резервом тепловой мощности обладает сеть хозяйственно-фекальной канализации. Широкое использование канализации для таяния снега, собираемого с дорог, вполне оправдано и может быть ограничено лишь местными конкретными особенностями, затрудняющими реализацию этого решения.

Значительными резервами тепловой мощности обладают также сбросные воды ТЭЦ. По данным Мосэнерго в 2000 году в Москве имелось 15 крупных объектов, сбрасывающих теплые воды в системы водоотведения (водосток, реки Москву, Кровянку, Чуру). Общий объем «бросовой» теплой воды составил 518 млн. м³/год, т.е. 16,4 м³/с, из них в водосточную сеть сбрасывалось всего 61 млн.м³/год (1,9 м³/с), в водотоки - 457 млн. м³/год (14,3 м³/с). Температура сбрасываемых вод колеблется от 7,7 ^оС до 30,5^оС. К сожалению, на пути использования сбросных вод ТЭЦ для таяния снега возникают серьезные проблемы, связанные с очисткой талых вод до уровня, позволяющего сбросить их в водные объекты города.

В связи со спецификой функционирования дорожной сети мегаполиса, необходимостью соблюдения оптимальных плеч перевозки снежно-ледяных масс автотранспортом, перспективным является применение снегосплавных пунктов на газовом, дизельном и других видах топлива. В настоящее время разработаны проекты относительно мощных снеготаялок на газовом и дизельном топливе. К их достоинствам относятся автономность и компактность. Очистка снега, расплавленного на таких снеготаялках, не представляет особых затруднений в связи с тем, что расходы талой воды не велики. Одним из серьезных недостатков такого рода решений являются высокие эксплуатационные расходы, связанные с необходимостью оплачивать используемое топливо.

Для каждого из перечисленных способов утилизации снега оптимальная мощность сооружений определяется, исходя из особенностей принятой технологической схемы. Однако интегрирующими для всех способов являются закономерности, связанные с затратами на уборку и транспортирование снега. Выполненные исследования позволили сформулировать правила размещения сооружений по утилизации снега на территории города Москвы, в соответствии с которыми был составлен базовый вариант схемы размещения сооружений на основе определения оптимальных транспортных возможностей по бассейнам снегоуборки, предусматривающий относительно равные распределения снегосплавных пунктов на территории административных округов и города в целом.

Изложенные принципы построения Генеральной схемы снегоудаления и имевшийся опыт эксплуатации определили технологию, типы и конструктивные решения сооружений, перерабатывающих снег.

ГЛАВА 5. Разработка и внедрение технологий и мероприятий комплексной системы по снижению антропогенных нагрузок на экологическую систему мегаполиса в зимний период (на примере Московского региона)

«Сухие» снегосвалки. Оценка качества воды, образующейся при таянии снега на «сухих» снегосвалках, показала, что прием талых вод водоотводящей сетью города может осуществляться только после их предварительной очистки. Степень очистки определяется условиями приема воды в системы водоотведения - водосточную или канализационную. Поэтому был разработан типовой проект «сухой» снегосвалки, включающий очистные сооружения на основе фильтров с различной загрузкой. «Сухие» снегосвалки на территории города должны, как правило, размещаться в промышленных и коммунально-складских зонах вблизи канализации и сетей водостока. Снегосвалки не должны располагаться в водоохранных зонах водных объектов города.

Снегосплавные пункты на коллекторах канализации. Анализ опыта создания снегосплавных пунктов на канализационных коллекторах позволил определить основной принцип их проектирования - с целью минимизации нагрузки на городские станции аэрации необходимо обеспечить удаление не только основных грубодисперсных примесей, но также оседающих и всплывающих загрязнений, содержащихся в снеге. Весьма удачную технологическую и конструктивную схему представляют собой снегосплавные пункты, в которых камера таяния сблокирована с песколовкой. При этом использовались одно-, двух- и трех коридорные песколовки.

Особое внимание было уделено усовершенствованию системы загрузки снега в снегоплавильную камеру. Анализ опыта эксплуатации снегосплавных пунктов позволил предложить, взамен использования бульдозера, проталкивавшего снег через решетку, применение молотковых дробилок (разработка ОАО «ВНИИСТРОЙДОРМАШ» и ГНЦ «ВНИИМЕТМАШ»). Дробление загружаемого в снегоплавильную камеру снега обеспечивает более благоприятные условия для его последующего плавления сточной водой и повышает производительность снегосплавного пункта.

Снегосплавные пункты на сбросных водах ТЭЦ. Устройство снегосплавных пунктов на сбросных водах ТЭЦ аналогично устройству снегосплавных пунктов на канализации, но связано со следующими особенностями:

вода после снегосплавных пунктов сбрасывается непосредственно в водоотводящую сеть или в водные объекты. Поэтому степень очистки воды должна быть более высокой и соответствовать предъявляемым в этих случаях требованиям;

температура сбросных вод значительно колеблется для разных ТЭЦ и может в некоторых случаях быть невысокой (10^оС);

применяемая для плавления снега вода ТЭЦ является достаточно чистой и в некоторых случаях может быть использована для разбавления загрязнений талого снега в целях снижения их концентрации до допустимого уровня.

Снегосплавные пункты на топливе. В Москве несколько лет находится в эксплуатации снеготаялка на дизельном топливе, принцип действия которой основан на использовании погружных горелок, обеспечивающих сгорание смеси топлива и воздуха ниже уровня воды. Продукты сгорания смешиваются с водой и совместно поступают вверх через специальную систему. В верхней части охлаждённые газы уходят в атмосферу, а тёплая вода разбрызгивается по снегу, способствуя дальнейшему снеготаянию. В результате этого процесса происходит перемешивание и взбалтывание.

Разработана и реализована конструкция снегосплавного пункта на дизельном топливе, основанная на методе подогрева талой воды в теплообменнике. Созданы мощности снеготаяния, базирующиеся на использовании энергии городской теплосети.

К достоинствам снегосплавных пунктов на топливе относятся: автономность (не требует наличия крупных коммуникаций) и небольшой размер занимаемого участка. Их сооружение эффективно в местах, где отсутствуют источники бросового тепла (крупные канализационные коллектора, сбросные воды ТЭЦ).

Варианты развития мощностей системы снегоудаления г. Москвы. Сравнение технико-экономических показателей различных способов и технологий утилизации снега, а также типов сооружений показало, что наиболее эффективной является переработка убираемого с дорог снега на снегосплавных пунктах, расположенных на канализационных коллекторах. Этот способ связан с наименьшими затратами и обеспечивает наименьшее загрязнение водных объектов в черте города. Применение других способов утилизации снега оправдано лишь в случаях, когда по конкретным местным условиям затруднена организация снегосплавных пунктов на канализационных коллекторах.

В качестве альтернативных вариантов выступают снегосплавные пункты на сбросных водах ТЭЦ, являющиеся более дорогими сооружениями, однако, необходимыми при отсутствии возможности устройства снегосплавных пунктов на канализации. Одним из преимуществ снегосплавных пунктов на сбросных водах ТЭЦ является возможность снижения теплового загрязнения поверхностных вод. При строительстве снегосплавных пунктов большой производительности на ТЭЦ с высоким тепловым ресурсом и возможности использования в технологическом процессе мощностей имеющихся очистных сооружений поверхностного стока стоимость утилизации 1м³ снега на этих сооружениях может быть существенно снижена.

Существующие “сухие” снегосвалки могут быть использованы в условиях поэтапного строительства снегосплавных пунктов на канализации. В перспективе должны сохраниться только те “сухие” снегосвалки, для которых на данном участке города отсутствует альтернатива, при этом обязательна их полная реконструкция в соответствии с разработанным типовым проектом.

Созданная в городе система промышленной утилизации снежной массы на снегосплавных пунктах, использующих бесплатное тепло канализации и сбросных вод ТЭЦ, позволила частично решить проблему третьего, завершающего этапа реализации Генеральной схемы снегоудаления в г. Москве. Однако построенных мощностей снеготаяния оказалось недостаточно для обеспечения городских нужд, кроме того, расположение этих мощностей диктовалось наличием свободных площадок вблизи коллекторов и в стороне от жилья. Поэтому сеть снегосплавных пунктов является неравномерной по районам города и недостаточно плотной.

В сложившейся ситуации возрастает роль перевозки снега к местам его утилизации. Расчет показывает, что перевозка снега в условиях города с напряженными транспортными потоками по стоимости сравнима с затратами на энергию, требующуюся для плавления этого снега на месте его образования. Поэтому в качестве альтернативного направления увеличения сезонной производительности системы утилизации вывозимого снега автором предложено создание снегосплавных пунктов, использующих различные виды топлива.

Если вообще исключить этап перевозки снега, можно, используя освободившиеся средства на приобретение топлива, плавить снег на месте образования и транспортировать талую воду по имеющимся сетям канализации или водостока. Такому режиму работы отвечает использование мобильных снеготаялок на дизельном топливе, которые доставляются к месту образования снега и работают, пока не расплавят необходимое количество снега, а затем перевозятся на следующее место.

ВЫВОДЫ

1. Впервые дана теоретическая оценка условий формирования и закономерностей функционирования природно-техногенной системы мегаполиса (на примере Московского региона), рассматриваемой как урбосистема высшего иерархического уровня.

2. Теоретически обоснованы положения градостроительного планирования на принципах экологического строительства и природоохранной деятельности в целях обеспечения гомеостаза урбосистемы мегаполиса.

3. Выявлены основные геоэкологические факторы, определяющие гомеостаз урбосистемы мегаполиса; оценена, как геоэкологический фактор, городская гидросфера, со специфическими характеристиками, обусловленными техногенезом, в том числе применительно к условиям московского мегаполиса.

4. Теоретически обоснована необходимость сезонной инженерной защиты гидросферы мегаполиса, как одной из важнейших жизнеобеспечивающих геосферных оболочек урбосистемы и разработаны основные принципы создания инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса при обработке и утилизации городских снежно-ледяных масс.

5. Обоснованы и экспериментально подтверждены принципы оптимального выбора номенклатуры противогололедных реагентов по экологическим и технико-экономическим показателям.

6. Установлено, практически вновь и в отличие от других исследований, что в зимний период на дорогах мегаполиса при антропогенном влиянии и, в частности, под воздействием противогололедных реагентов, формируется новая специфическая физико-химическая субстанция - городская снежно-ледяная масса, существенно отличающаяся от природного снега и льда.

7. Теоретически обоснованы закономерности процессов плавления и дробления загрязненных снежно-ледяных масс на базе созданных физико-математических моделей, в частности: показано возникновение неравновесных концентраций загрязнений, усиливающих процессы влагонасыщения и превращения природного снега в городскую снежно-ледяную массу; обнаружены сложные немонотонные зависимости температуры плавления от загрязненности городских снежно-ледяных масс; установлена зависимость параметров функционирования дробильных агрегатов снегосплавных пунктов от концентрации загрязнений.

8. Предложена новая методика расчета теплофизических характеристик снегоплавильных камер для плавления загрязненной снежно-ледяной массы, позволяющая проводить инженерные расчеты при проектировании сооружений.

9. В качестве управляющих действий по поддержанию гомеостаза ПТС мегаполиса предложены оригинальные конструктивно-технологические и организационные решения по переработке загрязненных городских снежно-ледяных масс; разработана классификация технологий утилизации городского снега; сформулированы положения комплексного подхода к улучшению экологической ситуации мегаполиса при снегоудалении в целях защиты водной системы города.

По выполненным разработкам, в рамках реализации Генеральной схемы снегоудаления, внедрена система сезонной инженерной защиты городской гидросферы Московского региона с комплексом мероприятий по снижению антропогенных воздействий. Экономический эффект от внедрения, заключающийся в предотвращении ущерба, наносимого московской водной системе сбросом снежно-ледяных масс, удаляемых с магистралей города, составил свыше 2000 млн.руб.

Основное содержание исследований опубликовано в следующих работах

1. Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Утилизация снега в Москве. Экология и промышленность России. М.: 2001. 0,5 п.л.

2. Корецкий В.Е. Зарубежный опыт зимнего содержания дорожных покрытий. Проекты развития инфраструктуры города, вып. 2. М.: Прима-Пресс-М, М.: 2002, 1 п.л.

3. Корецкий В.Е. и др. Основные экологические аспекты противогололедной обработки и снегоуборки в Москве. Проекты развития инфраструктуры города, вып. 2. Прима-Пресс-М, М.:2002, 1 п.л.

4. Корецкий В.Е., Павлов Н.В. Зимняя уборка магистралей города. Прима-Пресс-М, М.: 2002, 3,1 п.л.

5. Корецкий В.Е. Методы утилизации снега, вывозимого с магистралей города. Материалы 3-го Международного конгресса по управлению отходами ВЕЙСТЕК. М.: 2003.

6. Корецкий В.Е. Методы утилизации снега, вывозимого с магистралей города. Проекты развития инфраструктуры города, вып. 3. М.: Прима-Пресс-М.: 2003, 0,5 п.л.

7. Корецкий В.Е., Пупырев Е.И., Ерохин И.В., Чернэ М.А., Вайсфельд Б.А., Алашьян Р.А., Пахомов А.Н., Шеломков А.С., Пшенко Н.Л. Перекрытие шламохранилища. Патент РФ изобретение № 2207988, 10.07.2003 г.

8. Систер В.Г., Корецкий В.Е. Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период. Учеб. пособие. М.: Изд. ЦентрМГУИЭ, 2004. 11,6 п.л.

9. Корецкий В.Е. Методы утилизации снега, вывозимого с магистралей города. Чистый город. М.: 2004, № 1(25), 0,5 п.л.

10. Корецкий В.Е. Анализ реализации Генеральной схемы снегоудаления в Москве. Проекты развития инфраструктуры города, вып. 4. М.: Прима-Пресс-М, 2004, 0,5 п.л.

11. Корецкий В.Е., Храменков С.В., Пупырев Е.И., Зарубин А.П., Штопоров В.Н., Вайсфельд Б.А., Шеломков А.С. Снеготаялка. Патент РФ на изобретение № 2237136, 27.09.2004 г.

12. Корецкий В.Е., Храменков С.В., Загорский В.А., Пупырев Е.И., Зарубин А.П., Штопоров В.Н., Вайсфельд Б.А., Шеломков А.С. Устройство для принудительного таяния снега. Патент РФ на изобретение № 2233950, 10.08.2004 г.

13. Корецкий В.Е., Шеломков А.С., Романовская А.С., Кантор Л.И., Гордиенко В.С. Опыт проектирования снегосплавного пункта на канализационном коллекторе г. Уфы. Водоснабжение и санитарная техника. 2004, № 4, часть 2, 0,5 п.л.

14. Корецкий В.Е. Система промышленной утилизации снега, вывозимого с магистралей города. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2004, № 10/2004, 0,25 п.л.

15. Корецкий В.Е., Богомолов М.В. Опыт эксплуатации и перспективы развития систем снегоудаления в г.Москве. Материалы 6-го Международного Конгресса "Вода: экология и технология" - "ЭКВАТЭК-2004", М.: 2004

16. Корецкий В.Е. Варианты развития мощностей системы снегоудаления Москвы. Экология и промышленность России, апрель, 2005 М.: 2005. 0,5 п.л.

17. Корецкий В.Е. Моделирование процесса принудительной аэрации в потоках загрязненных вод. Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 35-летию института ВНИТИБП, г. Щелково, 26-27 мая 2005 г. 0,3 п..л.

18. Корецкий В.Е. Варианты развития мощностей системы снегоудаления города Москвы. Материалы 4-го Международного конгресса по управлению отходами ВЕЙСТЕК. М.: 2005.

19. Корецкий В.Е. Исследование теплофизических свойств снежно-ледяных масс городских территорий. Экология и промышленность России, сентябрь, 2005 М.: 2005. 0,5 п.л.

20. Гонопольский А.М., Корецкий В.Е. Моделирование процессов плавления снежно-ледяных масс городских территорий. Проекты развития инфраструктуры города, вып. 5. М.: Прима-Пресс-М, 2005, 1,4 п.л.

21. Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Анализ новых технологий утилизации городского снега. ЖКХ и строительство / Доркомстрой", № 1/2006, М.: 2006. 0,5 п.л.

22. Корецкий В.Е. Инженерно-экологическая защита водной системы северного мегаполиса в зимний период Материалы 7-го Международного Конгресса "Вода: экология и технология"-"ЭКВАТЭК-2006", М.: 2006.

23. Мирный А.Н., Скворцов Л.С., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Коммунальная экология. Энциклопедический справочник. М.: Изд. Прима-Пресс-М., 2007. 50,5 п.л.

24. Кескинов А.Л., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Новые технологии утилизации городского снега. Опыт Москвы. Экология и промышленность России, март, 2007, М. 2007. 0,5 п.л.

25. Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Новые технологии утилизации московского снега

Материалы 5-го Международного конгресса по управлению отходами ВЕЙСТЕК-2007. М.: 2005

26. Корецкий В.Е. Геоэкологические проблемы северных мегаполисов и крупных городов. Вестник МГСУ, №3, 2007г., М: 2007. 0,5 п.л.

27. Корецкий В.Е. Антропогенное воздействие загрязненных снежных масс на водную систему мегаполиса (на примере московского региона). Чистый город, №2(42), апрель-июнь 2008 - М.: 2008. 0,5 п.л.

28. Корецкий В.Е. Об основных принципах управления геоэкологической средой мегаполиса. Вестник МГСУ, №2, 2008г., М: 2008. 0,5 п.л.

29. Корецкий В.Е. Моделирование процесса таяния снега в снегоплавильной камере. Вестник МГСУ, №2, 2008г., М: 2008. 0,5 п.л.

30. Храменков С.В., Пахомов А.Н., Богомолов М.В., Данилович Д.А., Ромашкин О.В., Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Системы удаления снега с использованием городской канализации. Водоснабжение и санитарная техника, 2008, №10. 1,5 п.л.

Размещено на Allbest.ru