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 СH₃СООNa·3H₂O;

- нитратная: на основе нитратов кальция, магния и мочевины (НКММ [NaNO₃·Ca(NO₃)₂·Mg(NO₃)₂·8CO(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.