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

Корецкий, Владимир Евгеньевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период"

На правах рукописи

КОРЕЦКИЙ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ

ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ИНЖЕНЕРНО-ЭКОЛОГИЧЕСКОИ ЗАЩИТЫ ВОДНОЙ СИСТЕМЫ МЕГАПОЛИСА В ЗИМНИЙ ПЕРИОД

Специальность 25.00.36 «Геоэкология»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

« г., л п.? да

I I)

Москва 2009

003467157

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального 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 2009 г. 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

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 и 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.

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.

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

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- выявить закономерности формирования природно-техноген-ной системы (ПТС) мегаполиса и основные геоэкологические факторы, влияющие на ее 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 рекомендаций 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.

по проблемам экологии и геоэкологии Н.Ф. Реймерса, H.H. Моисеева, К.А. Осипова, В.И. Осипова, Ю.В. Кононовича, A.A. Минина, А.Д. Потапова, Е.И. Пупырева, В.И. Теличенко, В.В. Соколовского, A.JI. Яншина, Д. Броека, Г. Карслоу, Д. Егера 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 по обеспечению 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 - Санкт-Петербурге, Уфе.

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 снегопла-вильных 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-м Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2003; на 6-м Международном конгрессе «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЭК-2004», М.: 2004; на 4-м Международном конгрессе по управлению отходами ВЕЙСТЕК, М.: 2005; на 7-м Международном конгрессе «Вода: экология и технология» - «ЭКВАТЭК-2006», М.: 2006; на 5-м 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 техноге-неза 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-техноген-ной 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. Ме-

гаполис 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 только на грани гомеостаза и стресса 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 урбосис-темы 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 техно-генно 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 техноген-

но измененную, с большим содержанием отличных от состава природной атмосферы примесей - химических, физических, механических и др.; в-третьих, техногенно загрязненную или тех-ногенно 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 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 Москвы. Ни на одном континенте нет 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. Еще 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 крупных среднеевропейских 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, явля-

ется 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, ее 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 вывоза 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 фито-ценозах. 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 то же 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 является одним из важнейших вопросов в процессе управления гомеостазом урбосисте-мы, в создании устойчивой ПТС мегаполиса. Значительные объ-

емы снега требуют его утилизации, и эта проблема решается в 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 проч-

ность 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 полот-

на, 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.

Антропогенное 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 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 о 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, расчет-

ный 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.

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% случаев;

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

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

Таблица 1

Средние значения характерных загрязняющих веществ в снеге

Вещества Размерность Показатели

Взвешенные вещества мг/л 159-952

бпк5 мг02/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

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 ]У^С12 и СаС12, время испарения которых в 2,6 и в 3,4 раза соответственно больше, чем раствора ЫаС1;

- 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 Москвы. Номенклатура современных ПГР представлена следующими группами, состав которых постоянно совершенствуется:

- хлоридная: на основе хлоридов натрия (NaCl), кальция (СаСЛг), («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» (СН3СООК) -жидкий), ацетата аммония («Антиснег-1» и «Антиснег-2» - жидкий), кальций/магниевого ацетата Ca/Mg (СН3СОО)2 («КМА», «Ацедор» - твердый), ацетата натрия СНзСОСШа, 3-водного ацетата натрия CH3C00Na-3H20;

- нитратная: на основе нитратов кальция, магния и мочевины (НКММ [NaN03-Ca(N03)2-Mg(N03)2-8C0(NH)2] - твердый);

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

- аммонийная: мочевина NH2CONH2;

- формиатная: формиат натрия HCOONa, формиат калия НСООК.

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 основ-

ной 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 р. Москву и р. 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 теплофи-зических 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 иссле-

дования 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 тепло-обменная 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 теплообмен-ных 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 тепло-обменных 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 а = у/у , где V - объем тела. Температура жидкости Tf выше, чем температура, при которой происходит плавление материала тела; причем плавление происходит, если температура материала находится в интервале (Т1з ,Т2э) при Т2з > Т1з. 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 £ и одной пространственной координаты х в направлении, перпендикулярном направлению потока Т = Т(х,г).

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

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; Х^), Хг(Ь) - уравнения границ зоны расплава в момент 1, которым соответствуют значения температур плавления Т18 и Т^.

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

5 = (1)

Г 2 0,*, (05*^,(0), (2)

(3)

а} = —-— коэффициент температуропроводности ¿-то компо-

С}Р)

нента городского снега,

Щ - коэффициент теплопроводности ]-то компонента городского снега,

Су - удельная теплоемкость ;-го компонента городского снега, - плотность ]-го компонента городского снега (/ = 1>3).

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:

— С л + ^—

т2.-ти

где С1 - удельная теплоемкость жидкости, Я - 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 теплофизиче-ских свойств смеси, т.е.:

К. = УК.1 ; с.=ус..1. ; р. = ур1,

у Р I > ] ¿.^ ]1 ( ' ^ ] ^ Г ]1 I 5

i i <

где 1( - массовая концентрация г-ой примеси (г=1...п) в городском снеге.

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

7; = Л,+В,.Ф

к2 а,

Т1=А1+В1-Ф

Тъ = АЬ+ВЪ'Ф

ч2

/ \

2а, уЦ

(4)

(5)

(6)

где Ар В] (/ = 1.з) - константы, 2 2

ф(2)=-т=)е - интеграл вероятностей.

Ып о

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 V,- со стороной ^¡Г , то площадь его грани - , а масса растопленного льда в течение 1 сек будет равна = 2 (у,. )* р. Здесь учтено, что плавление происходит одновременно с двух противоположных граней.

Обозначим через щ - количество фрагментов льда в плавильной камере, имеющих размер, заключенный в пределах ( ; + Ау). Если принять, что объем фрагментов в смеси подчиняется нормальному закону распределения вероятностей с характеристиками ¡л (у) = V и £ (у) = сг, то плотность распределения случайной величины (объема фрагмента) будет такой:

/оо=-

2(7

ау[2п

Количество фрагментов, объем которых находится в пределах ( V,.; V,.+Ау), приближенно равно:

(vl-v)2

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

Сумма в правой части равенства (7) является интегральной суммой для непрерывной функции f (у)у^ •

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

Для проведения расчетов была адаптирована программа «Мар1е-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 0°С и тем самым вся система расчетных уравнений приведена к безразмерному виду.

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

Так как плотность - есть аддитивная функция загрязнений, то из графика на рис. 2. следует, что существует предельный уро-

М « £ Am,. = = 2р (у )/av . (7)

венъ 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 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.

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

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.

р кг/м3

600 ч 400,, 200 ч

Рис. 3. График зависимости Т^р, Ь), фаза 3 - твердое тело.

Важно то, что повышение температуры плавления требует увеличения расхода канализационных стоков, что подтверждает данные расчетов, приведенные на рис. 3.

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.

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 реально-

го 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.

СДж/кг»К

Рис. 4. График зависимости Т^р, Ь), фаза 3 - твердое тело.

Аналогичный вывод следует из результатов, представленных на рис. 5, где в пространстве переменных: суммарная концентрация загрязнений (Ь), суммарная плотность (р), температура плавления расплава (Т^), 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 Тпл соответствует примерно 0,5% массовых суммарных концентраций загрязняющих веществ и химических соединений. Как следует из результатов наблюдений, этот уровень достигается весной.

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.

р кг/м3 .1000

, 500

Рис. 5. График зависимости Т^р, Ь), фаза 2 ~ расплав.

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 хорошо видны 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, так же 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 мо-

мент 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°К/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, обогащенного солями. Концентрация раствора, образующегося после кристаллизации воды из исходного раствора, была условно названа критической концентрацией Ск. Оказалось, что значение Ск 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 неод-

нородность. 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:

(Ш

Т = —<у,+72, (9)

аь

где: Е = Ар~У - полная потенциальная энергия системы, равная разности работы внешних сил Ар и потенциальной энергии деформации V; Ь - длина трещин; Т - энергия, высвобождающаяся при единичном приращении длины трещин; у\ и уч - значения энергии, необходимые для образования единичных поверхностей несимметричной трещины в расчете 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 неодно-родностей 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 Ск 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 (Т} - Тг), где Тз и Тг - 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 (Т] - Т2) имеет вид полосы, ширина и расположение которой определяются вязкостью частицы в момент ее образования, т.е. критической концентрацией Ск загрязняющих примесей. Внутри полосы прочность слоя гарантируется, т.к. 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 снего-плавильных 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 снеж-

но-ледяной массы, ее плавления и растворения в стоке, и нагрева получаемого расплава до температуры стока.

GKC[C3(Tf - То)] = Сслм [C!(T2s ~ Tls) + £ +С2(Т0 ~ T2s)] (10)

где GKC - расход канализационного стока через снегоплавиль-ную камеру, кг;

GCjiM ~ расход снежно-ледяных масс через снегоплавильную камеру, кг;

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

С2 ~ теплоемкость расплава (фаза 2), Дж/(кг.К);

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

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

Tf - начальная температура канализационных стоков, °С;

Tu ~ температура поступающей в снегоплавильную камеру снежно-ледяной массы, °С;

T2s ~ температура расплава, °С;

То ~ конечная температура канализационных стоков, °С.

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

Ослм C3(Tf -Т0) • ( )

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

{Ь, %) 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 снегоплавилъной 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°С до -6°С, 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:

2,8 + 12,000Ь - 19,68813 + 8,59413 для Т1з = 0°С

Ъкс/Ослм= 3,5 + 17,958Ь - 27,81313 + 11,97913 для Ти = ~10°С 4,5 + 26,458Ь - 42,18813 + 18,2291? для Т18 = ~20°С

Погрешность расчетов по предлагаемым аппроксимирующим полиномам в диапазоне загрязнений 0 < Ь < 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. Тели-

ченко (2000), 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 нее 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 окружающую среду следует отнести:

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

- образование специфической городской гидросферы, характеризующейся техногенным режимом водоносных горизонтов подземных вод (дренированием, подтоплением, утечками из водонесу-щих 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-эконо-

мическими 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 градострои-тельно-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 г. 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 61млнм3/год (1,9 м3/с), в водотоки - 457 млн м3/год (14,3 м3/с). Температура сбрасываемых вод колеблется от 7,7°С до 30,5°С. 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 невелики. 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 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 снего-удаления 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 трехкоридор-ные 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 снегосплав-ного 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°С);

- 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 охлажденные газы уходят в атмосферу, а теплая 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 коллекторы, сбросные воды ТЭЦ).

Варианты развития мощностей системы снегоудаления 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 во-

дах 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 1 м3 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 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 обоснованны 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 обоснованна 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. Обоснованны 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 обоснованны 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 гомео-стаза 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,

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. - М.: Прима-Пресс-М, 2002. - 1 пл.

4. Корецкий В.Е., Павлов Н.В. Зимняя уборка магистралей города. М.: При-ма-Пресс-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 ВЕЙ-СТЕК. 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 В.А., Алашьян P.A., Пахомов А.Н., Шеломков A.C., Пшенко H.JI. Перекрытие шламо-хранилища. 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 пл.

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 C.B., Пупырев Е.И., Зарубин А.П., Штопоров В.Н., Вайсфельд Б.А., Шеломков A.C. Снеготаялка. Патент РФ на изобретение № 2237136.27.09.2004 г.

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

13. Корецкий В.Е., Шеломков A.C., Романовская A.C., Кантор Л.И., Гордиен-ко B.C. Опыт проектирования снегосплавного пункта на канализационном коллекторе г. Уфы. Водоснабжение и санитарная техника. 2004. № 4. Ч. 2. - 0,5 пл.

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

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 пл.

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. 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. Корецкий В.Е., Мирный А.Н., Скворцов JI.C., Пупырев Е.И. Коммунальная экология. Энциклопедический справочник. М.: Прима-Пресс-М, 2007. - 50,5 пл.

24. Кескинов A.JL, Пупырев Е.И., Корецкий В.Е. Новые технологии утилизации городского снега. Опыт Москвы. Экология и промышленность России, 2007. М.: 2007. - 0,5 пл.

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, № 3/2007. 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)/2008. М.: 2008. - 0,5 п.л.

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

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

30. Храменков C.B., 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 пл.

Содержание диссертации, доктора технических наук, Корецкий, Владимир Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СЕВЕРНЫХ МЕГАПОЛИСОВ

1.1. Строительство городских поселений как фактор техногенеза

1.2. Формирование мегаполисов как результат урбанизации в условиях современного техногенеза

1.3. Особенности формирования и функционирования водной системы на территории мегаполиса

1.4. Проблемы зимней уборки магистралей северных мегаполисов

1.5. Проблемы утилизации городских снежно-ледяных масс

1.5.1. Дробление загрязненного снега, подаваемого на снегосплавные пункты.

1.5.2. Плавление снежно-ледяных масс в снегоплавильных камерах

ГЛАВА 2. АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ ЗАГРЯЗНЕННЫХ

СНЕЖНЫХ МАСС НА ВОДНУЮ СИСТЕМУ МЕГАПОЛИСА на примере Московского региона)

2.1. Характеристика убираемого с городских дорог снега по данным многолетних наблюдений

2.2. Результаты исследования свойств убираемого снега в зависимости от применения мероприятий по снижению' зимней скользкости дорожных покрытий

2.3. Антропогенное воздействие противогололедных реагентов на водную систему мегаполиса

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРОДСКИХ СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ МАСС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАВИЛЬНЫХ КАМЕР1 СНЕГОСПЛАВНЫХ ПУНКТОВ

3.1. Физико-математическое моделирование процессов адсорбции загрязнений из приземного атмосферного слоя

3.2. Моделирование процесса таяния снега в снегоплавильной камере

3.3. Влияние массопереноса на теплообмен в пористой снежно-ледяной массе

3.4. Влияние теплофизических свойств пористой снежно-ледяной массы на процесс ее дробления на снегосплавном пункте

3.5. Теплофизический расчет расходных характеристик снегоплавильных камер на канализационных стоках

ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ГРАДОСТРОИТЕЛЬНО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ СИСТЕМОЙ МЕГАПОЛИСА

4.1. Мегаполис как природно-техногенная (строительная) система высокого иерархического уровня

4.2. Эколого-градостроительные особенности формирования урбосистемы г.Москвы как мегаполиса

4.3. Стратегия комплексного улучшения экологической ситуации в городе в зимний период

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)

5.1. Технологии, типы и конструктивные решения сооружений, перерабатывающих снег

5.1.1. Сухие снегосвалки

5.1.2. Снегосплавные пункты на коллекторах канализации

5.1.3. Снегосплавные пункты на сбросных водах ТЭЦ

5.1.4. Снегосплавные пункты на топливе

5.1.5. Сравнение технико-экономических показателей различных типов сооружений по переработке снега и рекомендации по оптимальным областям и их применения

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период"

Глобальным социально-экономическим процессом начала третьего тысячелетия можно смело назвать урбанизацию. Развитие городов — процесс, объективный, сопровождающийся глубоким антропогенным изменением природы, заменой естественных экосистем — урбосистемами. В тоже время, современное состояние окружающей природной среды, характеризуется фактическим переходом^ в. фазу экологического кризиса и является сложнейшей общечеловеческой проблемой, без решения которой возникает вполне отчетливая перспектива разрушения биосферы Земли и деградации человечества.

Охрана окружающей среды, рациональное использование и воспроизводство природных ресурсов постоянно находятся в центре внимания? правительств и общественности; всех стран мира: В перспективе, по мере дальнейшего развития человеческого общества, актуальность этих проблем будет непрерывно возрастать и постепенно приобретать глобальный характер [1, 18, 87, 96, 99, 107, 121, 180].

Ухудшение экологической ситуации, особенно явно проявившееся во второй половине прошлого века, по-существу застало человечество врасплох. Причиной этого явилась длительная недооценка важности проблемы, и отсрочка в принятии неотложных мер к ее решению. Этому периоду была, до некоторой степени, свойственна исследовательская стихия в науке- и технике, когда вычленялись отдельные задачи и делались попытки решить их любыми подручными методами. Однако постепенно становилось все; более очевидным, что нарастающий клубок взаимосвязанных экологических проблем требует единого системного подхода и единых действий со стороны как научных кругов,, так и административных органов;

В современной науке экологические проблемы классифицируются по различным признакам, в частности, по времени; восстановления/ состояния природной среды после прекращения; внешних воздействий. К приоритетным проблемам, связанным с большим временем восстановления исходного состояния природной среды или с полной необратимостью воздействующих на нее процессов, отнесены: изменение климата, сокращение биоценозов, снижение биоразнообразия - исчезновение видов и генетические изменения в них, загрязнения токсикантами практически всех геосфер, в частности, загрязнение поверхностных и грунтовых вод, эвтрофикация водоемов, [8, 16, 50, 51, 58, 139, 153, 154]. В полной мере эти проблемы проявляются в крупных городах.

Последнее десятилетие прошлого века в России совпало со сменой общественно-политического строя, изменившей экономическую политику государства, что не могло не сказаться на экологической ситуации в стране. Переходный период, в котором сегодня находится наша страна, сопровождается значительным спадом производства, а значит и снижением поступления загрязняющих веществ во все природные среды. Учитываяэто, можно было бы ожидать существенного улучшения экологического качества всех составляющих элементов природной среды. Однако данные федеральной системы мониторинга загрязнения природной среды, которые охватывают полувековой период, свидетельствуют о том, что улучшения состояния окружающей среды, адекватного снижению антропогенных нагрузок на нее, в конце XX века в России не произошло. Более того, чрезвычайно остро стоит проблема чистоты атмосферного воздуха и снабжения населения качественной питьевой водой в городах, где проживает больше 70% населения России.

Результаты мониторинга состояния природной среды на территории Российской Федерации свидетельствуют о том, что благоприятный прогноз улучшения ее состояния в наступившем столетии, при ожидающемся росте производства и активизации всей хозяйственной деятельности, возможен только при условии- совершенствования и неукоснительного соблюдения природоохранного законодательства, модернизации и внедрения во все сферы производственной деятельности современных технологий очистки и жесткого контроля природоохранной деятельности со стороны соответствующих государственных органов [49, 87, 97, 98, 168, 171, 172].

Проблема охраны окружающей среды от загрязнения актуальна для всех промышленно развитых стран. Одним из острейших современных вопросов является охрана водных ресурсов, и не столько от природных, сколько от антропогенных загрязнений. Особое значение приобретает необходимость экологической защиты водных бассейнов в районах расположения крупных населенных пунктов с многомиллионным населением и развитой промышленностью. Тем более, если эти населенные пункты расположены в северных областях со сложной климатической обстановкой с длительным зимним периодом.

Большинство древнерусских городов возводилось на «стрелках» -местах слияния реки с притоком, обычно на высоком берегу, и Москва в данном случае не является исключением. Разраставшийся от «детинца» или Кремля город с поселениями ремесленников постепенно захватывал территории, как правило, вдоль водотоков - притоков главной реки. В Москве - это происходило вдоль рек Неглинной, Яузы и других более мелких поверхностных водотоков и было обусловлено естественной потребностью в воде, как для жизнеобеспечения, так и для производственно-хозяйственной деятельности. Постепенно вся близлежащая гидрографическая сеть в пределах современных границ города была застроена. Нелишне будет упомянуть, что в этих границах в том или ином виде насчитывается около 1000 поверхностных водотоков, частично засыпанных или заключенных в подземные коллекторы. Из 140 относительно крупных водотоков, примерно 40 протекает в полностью открытых руслах, большей частью, обустроенных набережными. Границы Москвы естественно являются неразрывной частью гидрографической сети региона, или иными словами региональной водной экосистемы [108а].

Воздействие антропогенных факторов на качество воды в речном бассейне крупного мегаполиса в первую очередь определяется масштабами и видами этого воздействия. На характер протекания биогеофизических процессов водной системы оказывают влияние загрязнения как промышленного, так и коммунального происхождения. Особое значение при этом имеет способ сброса сточных вод мегаполиса в его водную систему. Поэтому необходима структуризация факторов, воздействующих на отдельные участки речного бассейна, и определение системы техногенного воздействия.мегаполиса на качество вод всего бассейна.

Инженерная защита водной системы мегаполиса может быть реализована главным образом путем строительства очистных сооружений, разработки и осуществления- природоохранных мероприятий, что в полной мере относится к таким видам строительной деятельности (Примерный классификатор-видов строительной деятельности и работ. Приложение к приказу Госстроя России от 26 декабря 1997 г. №17-140), как:

- разработка градостроительной документации;

- разработка схем инженерного оборудования поселений и территорий;

- разработка территориальных комплексных схем охраны окружающей среды.

Каждый из вышеперечисленных видов строительной деятельности не является исключительно градостроительным, но носит в себе, как неотъемлемые составные части, типично строительные решения. Собственно эколого-градостроительное планирование является крупномасштабным строительным проектом особенно в условиях такого мегаполиса как Москва. Таким проектом, одновременно строительным и природоохранным, должна стать разрабатываемая в настоящей работе стратегия инженерной сезонной защиты водной системы города. Решение выдвигаемой проблемы в значительной степени связано как с учетом существующей градостроительной инфраструктуры (реализованные элементы Генплана, ПДП, схем районной планировки, проектируемых и построенных микрорайонов, транспортных сетей) так и с оптимизацией принимаемых проектных решений, а в отдельных случаях и с обязательной экологической реконструкцией уже существующих урбосистем [64а].

Развитие и функционирование крупного северного города неизбежно приводит к необходимости удаления снега и борьбы с обледенением дорог. Борьба с обледенением производится, в основном, химическими методами, что приводит к поступлению в водные бассейны и на почвенные массивы региона мегаполиса больших масс химических реагентов, загрязняющих поверхностные и грунтовые воды и создающих угрозу для растительного и животного миров и человека. Большое количество применяемых противогололедных реактивов и разнообразие поступающих с ними химических элементов приводит к существенным изменениям химического состава основных компонентов окружающей среды (почвы, воды, воздуха), что вызывает изменение и деградацию видового состава обитающих в них организмов. Применительно к Московскому региону особенно опасным является загрязнение открытой водной системы реки Москвы и прилегающего Окско-Волжского бассейна.

Правильный выбор комплексных методов защиты окружающей среды, осуществление строительства на экологических принципах и обеспечение экологической чистоты, в частности, водных систем крупного мегаполиса является актуальной задачей для всего мирового сообщества и, в особенности, для стран, расположенных в северных широтах земного шара. Создание моделей функционирования существующих экологических систем позволило за короткий срок обеспечить возможность эффективного управления и прогноза экологической ситуации мегаполиса, разработать научно-обоснованную комплексную систему мероприятий по- управлению антропогенными нагрузками на экологические системы крупных северных мегаполисов в зимний период. Эти решения опираются на принципы планирования экологической градостроительной деятельности, на подходы экологического строительства, то есть иными словами следуют методологии

Н.Ф.Реймерса об экологизации, в данном случае - экологизации градостроительного планирования [149а].

Комплекс мероприятий по поддержанию функционирования высоконагруженной дорожной сети северного мегаполиса требует статистической оценки объемов выпадающих снежных масс и периодичности образования снежно-ледяных масс на дорожных покрытиях, а также обоснованного подбора высокоэффективных видов противогололедных реагентов и внедрения интенсивных технологий их применения, использования прогрессивных строительных, конструкторских и технологических решений по утилизации снежно-ледяных масс путем их обработки дроблением (измельчением твердых включений), плавлением и очисткой талых вод перед сбросом в водные объекты.

Разработка и внедрение конструкторско-технологических решений на базе принципов' экологизации градостроительного планирования, потребовало проведения научных исследований по моделированию сложных физико-механических процессов измельчения и теплофизических процессов плавления с целью определения оптимальных параметров процесса обработки снежно-ледяных масс.

Данная работа посвящена исследованию проблемы сохранения и улучшения общего экологического состояния северного мегаполиса в присущих ему специфических сложных геоэкологических условиях путем создания инженерной защиты водной системы города на принципах охраны природно-техногенной среды и экологического строительства. В том числе решены конкретные задачи, связанные с необходимостью снижения негативного воздействия противогололедных реагентов и утилизируемых снежно-ледяных масс и на экологические параметры водной системы мегаполиса.

В' итоге многолетней научной работы и производственного опробования разработанных в диссертации принципов экологического строительства, градостроительного планирования, строительных и технологических приемов, внедрен комплекс мероприятий, нашедший свое отражение в успешно реализуемой Генеральной схеме уборки снега в Москве, утвержденной Московским правительством.

Все вышеизложенное подтверждает тезис о необходимости применения принципов экологизации к градостроительному планированию, к управлению качеством природно-техногенных сред с целью улучшения экологического состояния мегаполиса, что особенно актуально в условиях активного развития урбанизации.

В связи с этим, исследование специфических проблем северного мегаполиса, связанных с рациональным применением противогололедных реагентов, необходимостью эффективной уборки больших снежно-ледяных масс и их утилизации с минимальными технико-экономическими затратами на принципах экологического планирования градостроительной деятельности также является актуальной научной проблемой.

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

Для достижения цели диссертации были поставлены следующие задачи: выявить закономерности формирования природно-техногенной системы (ПТС) мегаполиса и основные геоэкологические факторы, влияющие на её гомеостаз;

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

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

Методика выполнения исследований:

- анализ эколого-градостроительных особенностей формирования урбосистем;

- обобщение и анализ геоэкологических и экологических особенностей гидросферы северного мегаполиса;

- физико-математическое моделирование процессов дробления* и плавления загрязненных снежно-ледяных масс для1 разработки практических рекомендаций по решению конструктивно-технологических вопросов проектирования сооружений по утилизации снега;

- внедрение комплекса мероприятий по уборке 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 H.H., Осипова К.А., Осипова В.И., Кононовича Ю.В., Минина A.A., Потапова А.Д., Пупырева Е.И., Теличенко В.И., Соколовского В.В., Яншина A.JL, 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 экологоградостроительной деятельности в Москве.

Основанием для выполнения настоящей работы являлись:

- Постановление Правительства Москвы от 10.12.1998г. «О комплексе мер по охране,-восстановлению, оздоровлению рек Москвы, Яузы и других водных объектов, благоустройству территорий».

- Постановление Правительства Москвы от 09.10.2001г. №908 пп. «О готовности дорожных служб города к уборке городских улиц и магистралей в зимний период 2001/02 г.г. с применением новых противогололедных материалов», а также изменения и дополнения к нему от 25.12.2001г. №1181 пп.

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

1. Впервые объективно изучены антропогенные воздействия на водную систему северного 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.

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

Практическая значимость работы.

Результаты работы представляют собой теоретическую основу принятия эколого-градостроительных решений при создании эффективных комплексных инженерных систем снегоудаления и утилизации снежно-ледяных масс крупных северных 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.

Основные защищаемые положения:

- теоретическое обоснование закономерностей формирования природно-техногенной системы северного 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;

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

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

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.

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликованы 29 научных работ, в том числе 18 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 изобретение.

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.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Корецкий, Владимир Евгеньевич

ВЫВОДЫ

1. Впервые дана теоретическая оценка условий формирования и закономерностей функционирования природно-техногенной системы северного 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.

4. Теоретически обоснована необходимость сезонной инженерной защиты гидросферы северного мегаполиса, как одной из важнейших жизнеобеспечивающих геосферных оболочек урбосистемы и разработаны основные принципы создания инженерно-экологической защиты водной системы северного 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 северного 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 методология 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.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Корецкий, Владимир Евгеньевич, Москва

1. Акамова Т.А., Батоя В.В. Основные критерии экоразвития. - М.:1. Наука, 1994.

2. Акселърод Ю.В. Газожидкостные химабсорбционные процессы. М.:1. Химия, 1989.

3. Александров Г.А. Моделирование смен растительных сообществ. М.,1991.

4. Александров Г.А. Моделирование экологических рядов. М., 1991.

5. Алексеев C.B. Дидактические игры по экологии. М., 1992.

6. Ащенкова Л.Я., Кузьмина А.Е. Прогнозирование экологическихпроцессов. М.: Наука, 1986.

7. Барбье М. Введение в химическую экологию. М.: Мир, 1978.

8. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В. М. Теория нестационарнойфильтрации жидкости и газа. М.: Недра, 1972, 288 с.

9. Баренблатт Г.И. «Математическая теория трещин, образующихся при хрупком разрушен™». ПМТФ, 1961, № 4.

10. Бауман В.А., Кушанцев Б.В., Мартынов В.Д. Механическое оборудование предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Машиностроение, 1981, 324 с.

11. Бейм A.M., Ербаева Э.А. Долгосрочное прогнозирование состояния экосистем. Новосибирск: Наука, 1988.

12. Березанцев В.Г. Осесимметричная задача теории предельного равновесия сыпучей среды. М., ГИТТЛ, 1952, 115 с.

13. Берингшке К., Кэмпбелл Ш., Биология охраны природы. М.: Мир, 1983.

14. Биологические процессы в загрязненных модельных водоемах. МГУ, 1984.

15. Бирюков В.В., Кантер В.М. Оптимизация периодических процессов микробиологического синтеза. М.: Наука, 1985. 296 с.

16. Блекберн P.P., Дигон Э. Физические альтернативы использования химикатов против обледенения проезжей части дорог. В кн.: «Борьба со снегом и гололедом на транспорте». М.: Транспорт, 1986.

17. Бочкарева Т.В. Экологический «джин» урбанизации. М.: Мысль, 1987.

18. Брагинский Л.П. Теоретические аспекты проблемы «нормы и патология» в водной токсикологии. Теоретические вопросы водной токсикологии. -Л.: Наука. 1995, С. 20-40.

19. Броек. Д. «Основы механики разрушения». Пер. с англ. М.: Высшая школа, 1980,367 с.

20. Василькин В. В., Рубиновский. О. К. Задача о распространении температурного фронта и ее приложение к моделированию процесса заполнения формы. Методы вычислений и эксперимент в инженерной практике. 1992, №1, 20 с.

21. Великанов А.Л., Коробова Д.М. Моделирование процессов функционирования водохозяйственных систем. М.: Наука, 1983.

22. Вербина Н.М. Гидробиология с основами общей микробиологии. М., 1980.

23. Верниченко A.A. Классификация поверхностных вод, основывающаяся на оценке их качественного состояния. Комплексные оценки качества поверхностных вод. М., 1984. - С. 14-24.

24. Вероятностные методы в биологии. Сб. научных трудов. 1985.

25. Волков И.В. К проблеме региональных рыбохозяйственных ПДК. //Проблемы водной токсикологии. Петрозаводск: 1988, 92 с.

26. Воробейник Е.А., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем. Екатеринбург: УИФ «Наука», 1994.

27. Гейтвуд Б.Е. Температурные напряжения. Пер. с англ. М. Ин. литерат., 1959, 349 с.

28. Генералов М.Б. Динамика сыпучих материалов в шнековых устройствах. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2000, №10, С. 3-8.

29. Генералов М.Б. Механика твердых дисперсных сред в процессах химической технологии. МГУИЭ, 2002, 589 с.

30. Генералов М.Б. Основные процессы и аппараты технологии промышленных взрывчатых веществ. М., ИКЦ «Академкнига», 2004, 396 с.

31. Генералов М.Б. Расчёт оборудования для гранулированных минеральных удобрений. М.: Машиностроение, 1984, 192 с.

32. Генералов М.Б. Реологические свойства твердых дисперсных систем. Теоретические основы химической технологии. 2001, т.35, №1, С. 8589.

33. Голбек С.К. Уплотнение мокрого снега на автомобильных дорогах. «Борьба со снегом и гололедом на транспорте». М.: Транспорт, 1986.

34. Гонопольский A.M., Бобуркина О.В. «Построение диаграмм предельной прочности плазменных покрытий». М., Труды ВНИИавтогенмаш, 1984, -С. 59-65.

35. Гонопольский A.M. Плазменная обработка поверхности. М., Академия наук СССР, Институт теплофизики, 1990.

36. Гонопольский A.M., Корецкий В.Е. Моделирование процессов плавления снежно-ледяных масс городских территорий. Сб. научных трудов Института «МосводоканалНИИпроект» М.: Изд-во Прима-Пресс, -М.Б 2005, вып. 5, 101-111 с.

37. Гречищева Н.Ю. Взаимодействие гумусовых кислот с полиядерными ароматическими углеводородами: химические и токсикологические аспекты. Автореф. дисс. к.х.н. М., 2000.

38. Данн С.А., Шенк Р.У. Противогололедные химикаты, которые можно использовать вместо хлористых солей на автомобильных дорогах. В кн.: «Борьба со снегом и гололедом на транспорте». М.: Транспорт, 1986.

39. Дейч М.Е., Филиппов Г.А. Газодинамика двухфазных сред. -М., Энергоиздат, 1981.

40. Дехтяр И.Я., Осипов К.А. / ДАН СССР. 1955, т. 104, № 2, С.229-231.

41. Долженко JI.A. Экология биотрансформации при очистке сточных вод.

42. Дорожные одежды с использованием шлаков. Под ред. А.Я Тулаева -М.: Транспорт, 1986. -221 с.

43. Достанова Р.Х. О токсическом действии фенольных соединений и NaCl в модельных системах. Известия Каз. ССр, Серия Биология, 1982, № 3, -С. 10-14.

44. Дриккер В.В., Петрова В.И. Бактериопланктон реки Енисей. 1988.

45. Дружинин Н.И., Шишкин А.И. Математическое моделирование и прогнозирование загрязнения поверхностных вод суши. Л.: Гидрометеоиздат, 1989.

46. Единые критерии качества вод. Совещание руководителей водохозяйственных органов стран-членов СЭВ. 1982. Ежегодник качества поверхностных вод РФ. 1994. Федеральная служба России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Обнинск, 1996.

47. Ентов В. М. Об эффективном коэффициенте теплопроводности насыщенной пористой среды при наличии фильтрационного движения// Прикл. мех. и техн. физ. 1965, № 5, 153 с.

48. Жуков С.А. Прогнозирование снижения негативного воздействия промышленных автотранспортных атмосферных выбросов на санитарно-химические показатели городских водоемов. Автореферат диссертации к.т.н., М., МГСУ, 2005.

49. Златогорская JI. Волга живая и мертвая. Зеленый мир. Российская экологическая газета. 1996. №25, 6 с.

50. Иванова В. С. Усталостное разрушение металла. М.: Металлургия, 1963, 258 с.

51. Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне. Томск, 2000.

52. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды. JL: Гидрометеоиздат, 1984.

53. Инструкция по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. ВСН 20-87. Транспорт, 1988.

54. Исидоров В.А. Введение в химическую экотоксикологию. СПб.: Химиздат, 1999.

55. Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. СПб: Химия, 1992.

56. Кавтарадзе Д.Н., Нестерова С.Н., Шитова Е.Г. Экологическое значение автомобильных дорог (взаимодействие экологических и автотранспортных систем). Препринт. Пущино. ОНТИ НЦБИ АН СССР, 1984.

57. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964.

58. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. -М.: Химия, 1973, 750 с.

59. Качанов JI.M. «Основы механики разрушения». М.: Наука, 1974.

60. Кипарисов С.С., Либенсон Г.А. Порошковая металлургия. М.: Металлургия, 1972, 528 с.

61. Козлов Д.В. Лед пресноводных водоемов и водотоков. -М., МГУП, 2000.

62. Корецкий В.Е., Пупырев Е.И. Утилизация снега в Москве. Экология и промышленность России. М.: 2001.66

Информация о работе

Корецкий, Владимир Евгеньевич
доктора технических наук
Москва, 2008
ВАК 25.00.36

Диссертация

Теория и практика инженерно-экологической защиты водной системы мегаполиса в зимний период - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы