авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ
Привет, посетитель из United States, Ashburn!

ГЕОЭКОЛОГИЯ

ОЦЕНКА ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПОСЛЕДСТВИЙ

ПРИМЕНЕНИЯ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ РЕАГЕНТОВ

В г. МОСКВЕ

КОРОЛЕВ В.А.

Профессор кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ, д-р геол.-минерал. наук

СОКОЛОВ В.Н.

Заведующий лабораторией кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ, д-р геол.-минерал. наук, проф.

САМАРИН Е.Н.

Доцент кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ, канд. геол.-минерал. наук Ключевые слова: Key words:

противогололёдные реагенты, дорожные остатки ПГР, anti-ice-covered ground reagents, precipitates with remains агрессивность остатков ПГР, засоление почв и грунтов, of anti-ice-covered ground reagents, salt solution, solid dispersed активизация инженерно-геологических процессов, коррозионная sediment, water and oil froth emulsion, corrosivity, abrasive активность ПГР, абразивное действие ПГР, негативные action, negative ecological and geological implications.

инженерно-геологические и эколого-геологические последствия.

Аннотация роблема использования в городах эффективных П В литературе существуют противоречивые противогололедных реагентов (ПГР) весьма акту сведения о влиянии противогололёдных альна. Однако в литературе, и особенно в средствах реагентов (ПГР), применяемых на территории массовой информации, существуют достаточно противо Москвы, на эколого-геологические условия речивые сведения о влиянии противогололедных реагентов города, на почвы и другие грунты, на на эколого-геологические условия города: на почвы и дру автотранспорт, на обувь, живые организмы гие грунты, на автотранспорт, обувь, на живые организмы (биоту) и самих жителей столицы. С целью и здоровье жителей [1, 2, 4, 5, 7–10]. С целью независимого независимого изучения этого вопроса на изучения этого вопроса на кафедре инженерной и экологи кафедре инженерной и экологической геологии ческой геологии геологического факультета МГУ им. М.В.

геологического ф-та МГУ им. М.В.Ломоносова в Ломоносова в январе–феврале 2009 г. были проведены ис январе-феврале 2009 г. были проведены следования состава и свойств выпавших атмосферных исследования свойств и особенностей осадков, осадков в результате применения ПГР. Пробы отбирались образующихся от применения антигололедных на главных магистралях Юго-Западного округа столицы [1, смесей, отобранных на главных магистралях 2]. Надо подчеркнуть, что в данной работе изучались не ис ходные реагенты, а измененные из-за присутствия ПГР Юго-Западного округа столицы. Результаты осадки на дорогах (далее — дорожные осадки с остатками исследований излагаются в настоящей статье.

ПГР). Задачей исследования было дать научно обоснован ную оценку эколого-геологических последствий примене ния ПГР в Москве.

Методика исследований Abstract Для исследований отбирались образцы смеси снежной There is conflicting data on the impact of anti-ice- массы или дорожной жижи с остатками ПГР с некоторых ос cover materal, used on the territory of Moscow, at новных дорог Юго-Западного округа г. Москвы в период с the ecological-geological conditions of the city, 10 января по 10 февраля 2009 г. Пробы были взяты на Ле soils, vehicles, shoes, living organisms (biota) нинском проспекте, проспекте Вернадского, Ломоносовском and residents. In January and February 2009, the проспекте, на улицах Профсоюзной, Крупской, Академика department of Engineering and environmental Бакулева, Лебедева (на территории МГУ). Кроме того, отби geology of Geological faculty of Moscow State рались образцы снежной массы, налипшей на брызговиках University named after M.V. Lomonosov автомобилей. Взятые пробы помещались в контейнеры из conducted an independent research of properties нейтрального материала, герметично закрывались и храни and characteristics of road sediments created by лись в холодильнике при температуре +4°С. Большая часть application of anti-ice-cover materials based on химических исследований проводилась сразу, в день взятия data from the main roads in South-West District of образца (во избежание разложения нестойких веществ). Все Moscow. Results of this research are presented анализы выполнялись на кафедре инженерной и экологиче in this article ской геологии геологического факультета МГУ с использо ванием новейшего аналитического оборудования.

Образцы с остатками ПГР подвергались комплексному анализу. В растворе из растаявшей массы определялись ве личина рН (на рН-метре типа рН-150М, г. Гомель), общая 34 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ А Б РИС. 1. ВИД РАСТАЯВШЕГО СНЕГА С АНТИГОЛОЛЕДНОЙ СМЕСЬЮ: ИСХОДНЫЙ (A);

ЧЕРЕЗ 70 мин СЕДИМЕНТАЦИИ (Б) (ОБР. № 7 — пр. ВЕРНАДСКОГО (ПЕРЕСЕЧЕНИЕ С ул. СТРОИТЕЛЕЙ);

ОБР. № 8 — СМЕСЬ С БРЫЗГОВИКА АВТОМОБИЛЯ) минерализация раствора и химический состав. Из-за высокой засоленности растворы в условиях лаборатории (при темпе ратуре +20°С) быстро расслаивались с образованием на по верхности темной пенной водно-масляной эмульсии, а на дне — осадка из твердых дисперсных частиц. В промежутке между этими слоями образовывался слой достаточно про зрачного солевого раствора (рис. 1). При химическом иссле довании оценивалась мутность раствора, скорость и кинетика коагуляции частиц, наличие и количество водно-масляной пенной эмульсии, количество осадка твердых частиц.

Морфологические особенности твердых остатков ПГР в отобранных пробах изучались с помощью растрового элек тронного микроскопа (РЭМ) типа LEO 1450VP (Германия), снабженного микрозондовой приставкой OXFORD ENERGY INCA 300 для определения химического элементного состава вещества. Образцы осадка ПГР готовились по отработанной методике электронно-микроскопических исследований, ана логичной изучению осадков глинистых частиц: специальные ячейки помещались в цилиндр с раствором снега и антиго лоледной смеси или дорожной жижи, после чего происходи ла естественная седиментация твердых частиц и заполнение объема ячейки. По окончании седиментации (1 сут.) ячейки вынимались из цилиндров и замораживались в жидком азоте.



После этого образцы подвергались сублимации путем ва куумной морозной сушки, а затем напылялись золотом и про сматривались в РЭМ в обычном режиме [3].

Элементный состав отдельных твердых частиц, твердой фазы осадка, а также состав твердых кристаллов солей, вы- РИС. 2. ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ДОРОЖНОГО ОСТАТКА ПГР падающих из анализируемого соляного раствора, изучался с НА НЕКОТОРЫХ УЛИЦАХ ЮГО-ЗАПАДНОГО ОКРУГА МОСКВЫ помощью микрозондового и спектрального анализов. Хими ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ питке анализируемой смесью с последующим высушивани ем, после чего эти образцы также изучались под электрон ным микроскопом.

Была изучена также коррозионная активность анализи руемых проб по отношению к обычной углеродистой стали.

Образцы стали с известной исходной массой помещались в дорожные осадки с остатками ПГР и выдерживались в них несколько дней. При этом контролировалось появление ржавчины, величина которой определялась по ее массе. Для этого в конце опыта ржавчина удалялась кратковременной обработкой соляной кислотой, очищенные образцы стали промывались дистиллированной водой, высушивались и взвешивались. По этим данным рассчитывалась коррозион ная активность снежной смеси или дорожной жижи с остат ками ПГР в мг/см2·сут.

В результате проведенного комплексного исследования удалось выявить основные эколого-геологические особен ности осадков, образующихся на дорогах после применения антигололедных реагентов.

Химический состав и структура остатков ПГР на дорогах Было установлено, что фазовый состав дорожных осад РИС. 3. ОБЩАЯ МИНЕРАЛИЗАЦИЯ ДОРОЖНОГО ОСТАТКА ПГР ков с остатками ПГР неоднороден и во многом зависит от НА НЕКОТОРЫХ УЛИЦАХ ЮГО-ЗАПАДНОГО ОКРУГА МОСКВЫ температуры. При низкой отрицательной температуре в этих осадках была отмечена высокая доля льда и снега и низкая ческий состав осадка, полученного из остающейся на доро- доля жидкой фазы. При их частичном замерзании соли CaCl гах жижи, определялся с помощью спектрального анализа и NaCl переходят в раствор. При повышении температуры и на установке СПЕКТРОСКАН MAX-GV в соответствии с увеличении таяния льда и снега доля жидкой фазы увеличи МВИ № 2420/69-2004, регламентированной в МО49-П/04 и вается и образуется черная дорожная жижа (см. рис. 1), фа аттестованной согласно ГОСТ Р.8.563-96. При этом оцени- зовый состав которой также неоднороден, что проявляется в валось общее (валовое) содержание химических элементов выпадении осадка (рис. 1, 2) и образовании сверху пенного в твердой фазе осадка, без их разделения на мобильные (по- слоя водно-масляной эмульсии, состоящей из нераствори движные) и консервативные составляющие. мых в воде нефтепродуктов. Объемная доля этой пены до Было изучено действие дорожных проб с остатками ПГР стигает 12–14%. Ниже пены располагается относительно на почву. Для этого в образец чистой почвы вносилась рас- прозрачный слой солевого раствора ПГР, составляющий ос таявшая масса снега с остатками реагентов, после чего об- новную долю в пробе (см. рис. 2). В самой нижней части об разец почвы анализировался под электронным микроскопом, разуется осадок из твердых нерастворимых частиц. Его объ снабженным микрозондом. емная доля сильно варьирует и доходит до 8–10%.

Чтобы исследовать влияние дорожной смеси с остатками Общая минерализация исходных ПГР, применяемых в ПГР на обувную кожу и ткань, образцы чистой обувной кожи г. Москве, составляет 30 г/л. При разбавлении льдом и сне и плотной костюмной ткани подвергались пятикратной про- гом их минерализация уменьшается, но все же остается вы сокой, достигая 25–26 г/л (рис. 3). Высокая минерализация обусловливает агрессивность дорожных осадков с остатками ПГР по отношению ко многим материалам, а также к живым организмам. В остающемся на дорогах солевом растворе ос новными катионами являются Na+ и Ca2+ с незначительной примесью ионов Mg2+ (рис. 4). Из анионов в солевом раство ре преобладает Cl-, а также имеется незначительная примесь HCO3-. Массовая доля технической соли (см. рис. 4), приме няемой в качестве ПГР, основным компонентом которой яв ляется NaCl, все еще остается относительно высокой (до 50%), несмотря на отказ городских властей от ее использо вания в чистом виде, о чем не раз заявлялось в печати. Осо бенно опасным для многих живых организмов является вы сокое содержание хлора в дорожных осадках с остатками ПГР (3-й класс опасности).

В ходе исследований было также установлено, что наря ду с общей высокой минерализацией дорожных осадков с остатками ПГР их агрессивность во многом обусловлена по вышенным рН (рис. 5), величина которого достигает 8,2 (рН РИС. 4. СОСТАВ И КОНЦЕНТРАЦИЯ ИОНОВ СОЛЕВОГО РАСТВОРА исходных ПГР равен 8,5). За счет повышенной щелочности ДОРОЖНОГО ОСТАТКА ПГР, ОТОБРАННОГО НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ солевой раствор остатков ПГР растворяет многие органиче 36 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ ские соединения, в т.ч. технические масла и другие нефте продукты.





При испарении солевого раствора дорожных остатков ПГР из него выпадает осадок солей в виде кристаллических или аморфных образований, которые были изучены с помо щью растровой электронной микроскопии (рис. 6). Образую щиеся при этом кристаллы NaCl легко идентифицируются на РЭМ-изображениях, имеют правильную кубическую или прямоугольную форму, их размеры составляют примерно 100–300 мкм. CaCl2 при испарении солевого раствора обра зует аморфную полукристаллическую массу (из-за своей вы сокой гигроскопичности), состоящую из гидратов и кристал логидратов CaCl 2 6H 2 O, CaCl 2 4H 2 O, CaCl 2 2H 2 O и CaCl2H2O (см. рис. 6).

Не менее специфичен и химический состав твердого дис персного осадка, содержащегося в дорожных осадках с остат ками ПГР. Его валовой химический состав, определенный по результатам спектрального анализа осадка с ул. Профсоюз ной, представлен в табл. 1. Аналогичный химический состав имеют осадки и с других улиц Юго-Западного администра тивного округа г. Москвы. Как видно из полученных данных, в них содержится значительная доля частиц из минеральных компонентов (алюмосиликатов, карбонатов, окислов), по падающих туда вместе с разбрасываемым на дорогах песком или мелким гравием, которые состоят из кварца, полевых РИС. 5. ВЕЛИЧИНА рН ДОРОЖНОГО ОСАДКА ПГР НА НЕКОТОРЫХ шпатов и других распространенных породообразующих ми- УЛИЦАХ ЮГО-ЗАПАДНОГО ОКРУГА МОСКВЫ нералов.

В то же время твердый дисперсный осадок ПГР содержит много химических элементов, попадающих в него не с части- А Б цами песка или гравия, а иным техногенным путем: при взаи модействии растворов ПГР с асфальтом, резиновыми покрыш ками и металлическими кузовами автомобилей, с выхлопами газов и т.п. За счет этого дорожные осадки с остатками ПГР обогащаются различными микроэлементами, в т.ч. тяжелыми металлами и другими токсичными элементами (см. табл. 1).

Микростроение твердого дорожного осадка с остатками ПГР, изученное с помощью РЭМ, оказалось также весьма специфичным (рис. 7–9). Как видно на представленных фо тографиях, микростроение дорожных осадков в образцах из различных пунктов сходно, что свидетельствует о влиянии РИС. 6. КУБИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ NaCl (A) И АМОРФНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ общих факторов на их формирование. Их микроструктура CaCl2 (Б), ВЫПАДАЮЩИЕ ИЗ СОЛЕВОГО РАСТВОРА ОСТАТКОВ ПГР, представляет собой преимущественно изотропную матрицу СОБРАННЫХ НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ (УВЕЛИЧЕНИЕ 200 КРАТ) из высокодисперсных частиц размером 1–4 мкм, представ ленных мельчайшими обломками кварца, полевых шпатов, частицами асфальтового наполнителя (филера), сажи, а также Элементный состав тонкодисперсных частиц твердой кристаллами и аморфными образованиями хлоридов Na и фазы дорожных осадков с остатками ПГР (для тех же образ Ca. Многие частицы имеют остроугольную форму. Примесь цов, которые изучались в РЭМ), полученный по данным глинистых частиц в этой тонкодисперсной массе не очень ве- микрозондового анализа, представлен в табл. 2. Как видно лика. Следует также отметить, что степень агрегированности из этой таблицы, состав тонкодисперсной массы отличается частиц здесь достаточно большая и обусловлена высокой от такового для всей твердой фазы (см. табл. 1). Основная концентрацией солей (в образцах дорожного осадка, отмы- доля (80–87%) твердой тонкодисперсной массы дорожных тых от солей, агрегированность снижается — см. рис. 9). осадков с остатками ПГР представлена соединениями угле В этой тонкодисперсной массе хорошо прослеживаются рода и кислорода, из которых состоят сажа, тонкие частицы отдельные более крупные обломки, имеющие размер пыле- угольной золы и пыль. Также имеется примерно 5–11% алю ватой и песчаной фракций. Эти частицы также имеют в ос- мосиликатов (тонких минеральных частиц кварца и полевых новном остроугольную или угловатую форму. Они состоят шпатов) и 3–8% щелочных и щелочноземельных металлов главным образом из кварца и представляют собой остатки (в виде их хлоридных солей). Железо присутствует в коли песка или обломки мелкого гравия, которые разбрасываются честве 1–4%, медь — до 0,7%, цинк — до 0,7%. Обращает в некоторых местах на дорогах города. Возможно, такая ост- на себя внимание примерно одинаковый элементный состав роугольная форма многих обломков и частиц увеличивает аб- тонкодисперсной массы для различных образцов: с подкрыл разивное действие дорожных осадков и тем самым способ- ков колес, брызговика автомобиля, асфальта на ул. Проф ствует повышенному износу асфальтового дорожного покры- союзной. В составе тонкодисперсной массы остатка, отмы тия и автопокрышек. того от избытка солей декантацией, фиксируется несколько ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ Таблица 1 меньшее содержание элементов, образующих водораство римые соли Na, Ca, Mg и K.

ВАЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ТВЕРДОЙ ФАЗЫ ДОРОЖНОГО ОСАДКА С ПГР НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ Источники поступления токсичных компонентов Химические элементы Класс в дорожные осадки с остатками ПГР Содержание, % и соединения опасности SiO2 48,27 – Почему зимой на стекла автомобилей летят черные брыз CaO 13,325 – ги грязи, а летом их нет даже после дождя? Откуда в остатки Al2O3 7,1036 – ПГР на дорогах города попадают различные, в т.ч. и токсич Fe2O3 3,8824 3 ные, компоненты? У них есть несколько источников.

Во-первых, целый ряд компонентов (C, S, Si, частицы MgO 3,1795 – каучука и др.) попадает в дорожные осадки из автопокры K2O 2,2777 – шек, истираемость которых на дорогах в зимний период рез TiO2 0,55574 – ко увеличивается из-за повышенной агрессивности этих P2O5 0,16971 осадков (за счет высокой общей минерализации и повышен S 0,12953 ной щелочности). Примерно треть объема автомобильной MnO 0,073644 резиновой автопокрышки состоит из промышленной сажи Ba 0,035934 3 (технического углерода), применяемой в качестве наполни Sr 0,023192 2 теля. Частицы сажи и придают осадкам с ПГР черный цвет Zn 0,01918 3 (см. рис. 1). По самым скромным подсчетам, при истирае мости шины с одного колеса всего 0,5 мм/год на дорогу по Cr 0,0086431 падает около 50 см3 сажи и более 100 см3 других твердых As 0,0060993 компонентов. С учетом общего количества автотранспорта Cu 0,0052677 в г. Москве (около 3 млн автомобилей) на дороги за счет ис Rb 0,0050941 тирания покрышек ежегодно попадает не менее 600 м3 сажи V 0,0050614 и 1200 м3 других компонентов. Это равносильно тому, что Ni 0,0046361 ежегодно около 300–500 самосвалов сбрасывают на дороги Sc 0,0012693 – города полностью загруженные сажей кузовы.

Co 0,0012008 2 Второй источник — механический вынос компонентов Cs 0,00045397 – непосредственно из дорожного асфальтового покрытия, со держащего до 60% битума и не менее 40% частиц песка, гра Cd 0,00031281 вия, минерального порошка (филера) и др. В условиях агрес Pb 0,0002497 сивного щелочного действия ПГР и возможного проявления Sn 0,00016632 – эффекта Ребиндера зимняя истираемость самого асфальта Mo 0,00012 также увеличивается, о чем свидетельствуют глубокие колеи Hg 0,00002433 на многих дорогах г. Москвы, образующиеся именно к весне.

П.п.п. (H, C, Cl) 20,92 – Возможно, истиранию дорожного полотна способствуют также и абразивные свойства самих твердых частиц осадков Таблица 2 ПГР и филера, многие частицы которых имеют остроуголь ную форму (см. рис. 7–9).

ВАЛОВОЙ ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЭЛЕМЕНТОВ Третий источник — химический и механический вынос ТОНКОДИСПЕРСНОЙ ЧАСТИ В ДОРОЖНЫХ ОСАДКАХ битумных, масляных и иных соединений с днищ автомоби С ОСТАТКАМИ ПГР лей, большинство из которых обработано антикоррозийными Весовое содержание, % покрытиями. Известно, что битумы и нефтепродукты не рас Остаток ПГР творяются в воде и кислотах, но относительно хорошо рас Остаток ПГР с ул. Профсоюзной Элемент творяются в щелочах. Таким образом, повышенная щелоч с брызговика исходный отмытый ность растворов ПГР способствует растворению и выносу с автомобиля образец от солей днищ автомобилей битумных компонентов.

С 19–21 16–20 20–21 Четвертый источник — жидкости для омывания стекол автомобилей. В их состав входят растворители и поверхност O 63–66 60–64 65– но-активные вещества (ПАВ), а также нейтрализаторы, ис Na 0,4 0,7–0,8 0,1–0, ключающие окисление раствора, ингибиторы коррозии, аро K 0,7–0,8 0,1–1,3 0, матизаторы и т.д. Растворители (этиловый или изопропило Ca 2,9–4,5 2,1–3,0 1,5–2, вый спирты) служат для удаления нефтяных загрязнений, а Mg 0,7–1,5 0,7–2,8 0,7–0, в зимний период, кроме того, обеспечивают и необходимые Al 1,5–1,6 1,3–2,2 1,1–1,2 низкотемпературные свойства. ПАВ очищают стекла от жи Si 4,9–5,5 5,6–9,0 4,9–5,0 ров и органических загрязнений. Автошампуни для стекол должны быть нейтральными по отношению к лакокрасочно Cl 0,5–1,0 1,0–2,5 0,1–0, му покрытию кузова и резиновым деталям, безвредными для Ti 0,3 0,1–0,9 0, организма человека, разлагаться биологическим путем и не Fe 1,4–3,0 1,2–4,0 1,1–1, наносить вреда окружающей среде. Однако многие из них Cu 0,7 0 не удовлетворяют необходимым экологическим требова Zn 0 0,1–0,8 ниям. Они также имеют щелочную реакцию. Многие под 38 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ делки «незамерзаек» содержат метанол — смертельный яд. А Б С учетом того, что в Москве сейчас около 3 млн автомобилей, каждый из которых за зимний сезон потребляет хотя бы одну трехлитровую канистру жидкости для стеклоомывателя, по лучается, что на дороги за зиму попадает не менее 9 тыс. тонн жидкостей для омывания стекол. Реальный же их объем, вероятно, существенно больше 10–15 тыс. тонн за один сезон.

Таким образом, летом, весной и осенью, когда ПГР не ис пользуются, исчезает и большинство вышеперечисленных источников загрязнения окружающей среды, а зимой их воз действие приобретает угрожающие масштабы. РИС. 7. МИКРОСТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО ОСАДКА ПГР, СОБРАННОГО С КОЛЕС АВТОМОБИЛЯ, ПРИ УВЕЛИЧЕНИЯХ 500 (А) И 5000 (Б) КРАТ Влияние использования ПГР на подземное пространство города А Б Вследствие применения ПГР происходят различные из менения в геологической среде города, в т.ч. меняются хи мический состав грунтов и подземных вод и сама структура грунтов (табл. 3). В дисперсных грунтах (в первую очередь в супесях, суглинках и глинах) при засолении, как известно, происходит агрегирование частиц за счет сжатия или по давления двойного электрического слоя. При этом наруша ется микроагрегатный состав грунтов, формируются круп ные агрегаты и увеличивается размер пор, что ведет к росту фильтрационной способности грунтов. В результате этих изменений грунты, которые ранее считались водоупорны- РИС. 8. МИКРОСТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО ОСАДКА ПГР, ОТОБРАННОГО ми, при засолении могут переходить в категорию водопро- НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ, ПРИ УВЕЛИЧЕНИЯХ 500 (А) И 5000 (Б) КРАТ ницаемых.

Химические изменения наземных и подземных вод, трансформация химического состава и структуры грунтов А Б вследствие применения ПГР вызывают существенное пре образование всего комплекса свойств грунтов: химических, физико-химических, физических и физико-механических.

Прежде всего увеличивается химическая агрессивность грунтов по отношению к металлам, бетону и другим строи тельным материалам. Засоление грунтов приводит к сниже нию их электрического сопротивления и соответственно к увеличению электропроводности. За счет этого в грунтах на территории города увеличивается интенсивность миграции блуждающих электрических токов, проникающих в геологи ческую среду при утечках из кабельных и иных электриче- РИС. 9. МИКРОСТРОЕНИЕ ТВЕРДОГО ОСАДКА ПГР, ОТОБРАННОГО ских сетей (трамвайных и троллейбусных линий, линий улич- НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ, ОТМЫТОГО ОТ СОЛЕЙ, ПРИ УВЕЛИЧЕНИЯХ ного освещения и др.). Это способствует повышению корро- 500 (А) И 5000 (Б) КРАТ зионной электрохимической агрессивности грунтов и, в свою очередь, увеличивает интенсивность коррозии металлов в Таблица грунтовых толщах города (трубопроводов, кабельных сетей, металлической арматуры, свай и т.п.). В связи с этим уве- ВЕСОВОЕ СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ИСХОДНОЙ личиваются утечки вод и стоков из подземных коммуника- И ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЕ ций, что также ведет к развитию негативных инженерно-гео- Весовое содержание, % Химический элемент логических процессов (подтоплений, внутрипластовых раз в исходной почве в почве с ПГР мывов, суффозии и др.) (см. табл. 3).

C 15,0–18,0 14,0–15, Рост фильтрационной способности почв и подпочвенных O 62,0–65,0 61,0–63, грунтов активизирует в них процессы миграции влаги. В свя Na 0,4–0,5 0,8–1, зи с этим существенно возрастает угроза проявления на тер K 0,7–1,0 1,1–2, ритории города процессов суффозии. Как известно, механи Ca 0,3–0,4 0,8–2, ческая суффозия особенно опасна при фильтрации воды на Mg 0,3–0,4 0,4–0, границах грунтовых толщ, сложенных супесями, суглинками Al 2,1–2,6 3,3–7, и глинами, с существенно различными коэффициентами Si 12,0–16,0 15,0–32, фильтрации при их общей относительно высокой водопро Cl 0,0 0,9–2, ницаемости. Поэтому многие случаи активизации суффозии Ti 0,1 0, в разных регионах г. Москвы могут быть связаны именно с Fe 1,0–1,6 2,0–5, этими процессами. Если суффозия активизируется за счет ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ ление подпочвенных грунтов загрязнение грунтов и под А Б земных вод изменение состава, структуры и свойств грун тов активизацию негативных инженерно-геологических процессов разрушение подземных и наземных коммуни каций и других инженерных сооружений на территории го рода (см. табл. 3).

Влияние дорожных осадков после применения ПГР на почвы и растительность Даже исходные, т.е. «экологически чистые», антиголо ледные смеси негативно влияют на почвы города в силу вы РИС. 10. МИКРОСТРОЕНИЕ ПОЧВЫ: ИСХОДНОЕ (А);

сокой концентрации в них хлоридов Na и Ca. В дорожных ПОСЛЕ ЕЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДОРОЖНЫМИ ОСТАТКАМИ ПГР (Б), же осадках после применения ПГР к этим солям прибав ПОЛУЧЕННОЕ С ПОМОЩЬЮ РЭМ (УВЕЛИЧЕНИЕ 500 КРАТ) ляются и другие компоненты, отрицательно воздействующие на почвенные микроорганизмы, структуру и состав почвы, утечек воды из трубопроводов, то этот процесс перерастает которые рассмотрены выше.

в формирование внутрипластового размыва грунтов, что чре- Проведенные авторами исследования показали, что в вато образованием провалов. Подобные случаи не раз фик- почвах, загрязненных таким образом, появляются токсичные сировались на территории города [6]. элементы всех 4 классов опасности (см. табл. 1). Из элемен Наряду с этим рост фильтрационной способности грун- тов 1-го класса — это ртуть, однако ее содержание не пре тов может способствовать и развитию процессов подтопле- вышает ПДК для почв. Из элементов 2-го класса — это такие ния. Как известно [6], Москва и другие мегаполисы испы- токсичные элементы, как As, Sr, Rb, Co, Cd, Pb, Mo, а также тывают устойчивый рост площадей подтапливаемых терри- Sc, Cs, Sn и др. Концентрация многих химических элементов торий в последние десятилетия. Это вызвано многими при- превышает ПДК для почв в несколько раз. Так, например, чинами различного, главным образом техногенного, харак- величина ПДК серы (S) превышена более чем в 80 раз, ве тера. Но и увеличение фильтрационной способности грун- личина ПДК мышьяка (As) — в 30 раз. Концентрация ряда тов за счет техногенного засоления имеет здесь немалый металлов (например, Cu, V, Ni, Co и др.) превышает уровень удельный вес. ПДК незначительно.

В целом рассмотренный процесс является типичным си- Элементный состав исходной и загрязненной после зим нергетическим или каскадным (ступенчатым): антигололед- него применения ПГР почвы, полученный по данным мик ная смесь вызывает (по цепочке) засоление почв засо- розондового анализа, приведен в табл. 4. Исходная почва со держит много гумуса, о чем свидетельствует высокое содер Таблица жание в ней С и О — основных биофильных элементов. При ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ГРУНТОВ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ПГР описанном загрязнении почвы происходит перераспределе НА ГЕОЛОГИЧЕСКУЮ СРЕДУ ГОРОДА ние в ней всех химических элементов и появление новых. В микроагрегатах почвы уменьшается содержание С и О вслед Влияние изменений грунтов на:

Изменение грунтов ствие снижения доли гумуса в общей массе веществ. Поч развитие инженерно- подземные вследствие венные агрегаты значительно обогащаются Na и Са (их со геологических сооружения применения ПГР держание возрастает в 2–3 и в 5–7 раз соответственно). Осо процессов города бенно опасно появление большого количества Cl (которого Активизация нет в исходной почве), что естественно, так как основная Увеличение Загрязнение подземных химической коррозии часть солей в ПГР представлена именно хлоридами Na и Ca.

засоленности и вод, активизация подземных Наряду с этим в почвенных микроагрегатах возрастает от химической процессов коммуникаций, агрессивности массопереноса бетона, асфальтовых носительное содержание Fe и Ti, а также Al и Si, что имеет покрытий явно техногенное происхождение.

Помимо химического состава существенно меняется и Изменение динамики Изменение структура загрязненной почвы. На рис. 10 представлены фо грунтовых вод, развитие структуры, рост Активизация тографии микростроения исходной и загрязненной дорож подтоплений, агрегированности и подтопления активизация суффозии, ными остатками с ПГР почвы, полученные с помощью РЭМ.

фильтрационной фундаментов зданий внутрипластовых Ее исходная микроструктура довольно рыхлая, с относитель способности размывов но крупными порами, образованная агрегатами частиц, рас тительных остатков и гумуса (рис. 10 а). Та же почва при по Увеличение Рост плотности Рост подземной электропроводности блуждающих токов электрокоррозии падании в нее дорожных осадков с ПГР существенно уплот няется, межмикроагрегатные поры сужаются, крупные поры Изменение состава Рост биокоррозии Изменение характера и состояния подземных вообще исчезают, они заполняются солями и твердыми ча микробиологических грунтовых сооружений и стицами из остатков ПГР. Выпадающие из порового раствора процессов в грунтах микроорганизмов материалов соли NaCl и CaCl2 цементируют частицы и агрегаты, покры вают их «соляной коркой». Все это ведет к увеличению агре Изменение Разрушение состояния и гированности и снижению общей пористости почвы.

Изменение несущей асфальтовых физико- Для почвы все эти изменения имеют серьезные негатив способности грунтов покрытий, механических ные последствия, выраженные в снижении ее аэрируемости, фундаментов и др.

свойств доступности влаги для растений, увеличении засоленности.

40 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ Эти обстоятельства также ведут к гибели значительной части А Б естественных почвенных микроорганизмов, снижают их ви довое разнообразие, а также негативно влияют и на почвен ные макроорганизмы (на дождевых червей, насекомых, кол лембол, клещей, низшие растения, грибы и др.), приводят к постепенной деградации почвенной экосистемы в целом.

Отмеченные изменения в загрязненной почве отрицатель но сказываются и на произрастающих на ней растениях. Уве личение общей засоленности замедляет рост различных рас тений (травянистых, кустарниковых и древесных) и приводит к их гибели. Причем от повышенной засоленности одинаково страдают как травянистые, так и древесные растения. У по следних нередко начинает развиваться «рак растений» — об разование на стволах, ветвях, корнях или листьях опухоле видных утолщений и разрастаний. В природе возбудителями опухолевых наростов у растений в большинстве случаев яв ляются особые грибы и бактерии, но в условиях города их активизация может иметь техногенные причины, связанные с загрязнением почв.

Влияние дорожных осадков с остатками ПГР на кожу и одежду РИС. 11. МИКРОСТРОЕНИЕ ОБУВНОЙ КОЖИ ДО (А) И ПОСЛЕ (Б) ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕЕ ДОРОЖНЫХ ОСТАТКОВ ПГР ПРИ РАЗНЫХ На рис. 11 представлены фотографии внутренней сторо- УВЕЛИЧЕНИЯХ РЭМ ны обувной кожи до и после воздействия на нее проб до рожных осадков с ПГР, полученные с помощью РЭМ. Ис ходная кожа имеет характерную «рыхлую» волокнистую тельного мытья всего автомобиля. Простой водой его не от микроструктуру (рис. 11 а). После воздействия дорожных мыть — надо применять специальные автошампуни, содер осадков с ПГР ее микроструктура кардинально изменяется жащие до 30% поверхностно-активных веществ (ПАВ). Ав (рис. 11 б): отдельные коллагеновые волокна адсорбируют томоечный бизнес в г. Москве стал на сегодняшний день компоненты из раствора ПГР и покрываются слоем солей, весьма прибыльным, но это повлекло за собой и увеличение выкристаллизовывающихся при высыхании. При этом во- объема сточных вод, содержащих различные моющие сред локна в структуре кожи как бы исчезают. Многократная про- ства (детергенты). Их концентрация в сточных водах значи питка загрязненной дорожной пробой с последующим вы- тельно увеличилась, а следовательно, возросла и их агрес сыханием приводит к потере начальных характеристик обув- сивность. Поэтому нагрузка на очистные системы и соору ной кожи. Она становится ломкой, увеличивается ее гигро- жения также выросла.

скопичность, теряется водостойкость. Таким образом, если обувь тщательно не промывать от солей ПГР, то она выйдет А Б из строя за один сезон.

Не менее существенные изменения происходят и с одеж дой москвичей, которая подвергается воздействию дорожных осадков с остатками ПГР. На рис. 12 представлены фотогра фии костюмной полусинтетической ткани до и после много кратного воздействия на нее загрязненной пробы. Соли ПГР, покрывая отдельные тканевые волокна, негативно влияют на микроструктуру ткани, тем самым повышая ее гигроскопич ность, ломкость и снижая механическую прочность. Такие многократные воздействия на ткань, безусловно, будут вести к ее износу и снижению качества. Ткань меняет свой цвет, размеры, теряет гибкость и эластичность, становится ломкой и жесткой на ощупь. Естественно, на разных тканях эти из менения сказываются в различной степени, однако в любом случае они отрицательны.

Влияние остатков ПГР на автотранспорт Взаимодействие автопокрышек и дорожного асфальто вого покрытия с ПГР рассмотрено выше. К этому следует добавить, что разбрызгиваемые остатки ПГР, попадая на стекла автомобиля, не так-то легко смываются различными РИС. 12. МИКРОСТРОЕНИЕ КОСТЮМНОЙ ТКАНИ ДО (А) И ПОСЛЕ (Б) стеклоочистительными жидкостями. Особенно сложно уда- ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НЕЕ ДОРОЖНЫХ ОСТАТКОВ ПРОТИВОГОЛОЛЕДНЫХ лить эти остатки, если они уже высохли. Остатки ПГР на РЕАГЕНТОВ ПРИ РАЗНЫХ УВЕЛИЧЕНИЯХ РЭМ кузове обусловливают необходимость более частого и тща ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ Полученные нами данные свидетельствуют о том, что, не смотря на применяемые в ПГР антикоррозийные добавки, их коррозионная активность в дорожных осадках довольно вы сока (рис. 13). При этом разбавление ПГР талым снегом и льдом существенного влияния на их коррозионную актив ность не оказывает. Если для исходных ПГР коррозионная ак тивность по отношению к стали равна примерно 0, мг/см2·сут, то для остатков реагента на дорогах эта величина составляет 0,2–0,33 мг/см2·сут, т.е. остается довольно высо кой (по сравнению с коррозионной активностью талой сне говой воды, для которой она составляет менее 0,2 мг/см2·сут).

Таким образом, комплексное воздействие остатков ПГР на автотранспорт, безусловно, можно считать только отри цательным, увеличивающим износ автомобилей и их аварий ность, а также материальные затраты на их обслуживание.

Влияние дорожных осадков с остатками ПГР на человека и животных Дорожные осадки с остатками ПГР содержат в себе це лый комплекс веществ и элементов, вредных для человека и животных. Проведенный спектральный анализ показал, что в них содержится много токсичных элементов и тяжелых ме РИС. 13. КОРРОЗИОННАЯ АКТИВНОСТЬ ПО ОТНОШЕНИЮ К СТАЛИ таллов, относящихся в основном ко 2-му и 3-му классам ОСТАТКОВ ПГР НА НЕКОТОРЫХ ДОРОГАХ ЮЗ ОКРУГА МОСКВЫ опасности (см. табл. 1).

Из элементов 2-го класса опасности в дорожных осадках после применения ПГР содержатся As, Sr, Rb, Co, Cd, Pb, Mo. Концентрация тяжелых металлов и многих других эле ментов в них превышает ПДК для почв в несколько раз (рис.

14 и 15). Так, например, величина ПДК серы (S) превышена более чем в 80 раз, а величина ПДК мышьяка (As) — в раз. Происхождение мышьяка в дорожных остатках ПГР тре бует специального исследования. Как известно, мышьяк да же в малых дозах весьма канцерогенен, но при его избытке в почве и воде, помимо влияния на возникновение онколо гических заболеваний, отмечается накопление As в щито видной железе и появление эндемического зоба. Концентра ция металлов (например, Cu, V, Ni, Co и др.) в остатках ПГР лишь незначительно превышает или находится примерно на уровне ПДК в почвах, но даже незначительное их превыше ние должно настораживать экологов.

Безусловно, специального исследования требует изуче РИС. 14. СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТЯЖЕЛЫХ ние токсичных примесей разнообразных органических ве МЕТАЛЛОВ В ОСАДКЕ ПГР НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ ществ, присутствующих в дорожных осадках после приме нения ПГР, содержание которых особенно велико в их верх нем пенно-эмульсионном слое (см. рис. 1). Этот слой содер жит различные углеводороды, а также ПАВ и детергенты, многие из которых токсичны для человека и животных.

Кожа человека, как известно, имеет рН в пределах 3,8– 5,6 (т.е. имеет слабокислую реакцию), тогда как исходные ПГР или их остатки на дорогах имеют величину рН, дости гающую 8,5 (т.е. имеют слабощелочную реакцию). В итоге контакт кожи человека с остатками ПГР ведет к «щелочно му ожогу»: достаточно лишь ненадолго прикоснуться к остаткам ПГР пальцем или ладонью, как через некоторое время появляется сморщивание кожи и легкое жжение, как будто человек долго стирал вручную белье со стиральным порошком. Аналогичное раздражение появляется и на ла пах домашних животных — собак и кошек. Щелочной рас твор вызывает химическое раздражение кожи их лап и по степенно разрушает эмидермис. Если лапы домашних жи РИС. 15. ПРЕВЫШЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ПДК В ОСТАТКЕ вотных после контакта с ПГР не мыть, это может привести ПГР НА ул. ПРОФСОЮЗНОЙ к серьезным кожным осложнениям. Не исключена и гибель 42 ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март ГЕОЭКОЛОГИЯ ОСНОВНЫЕ ЭКОЛОГО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ПГР: ОБЩИЕ ВЫВОДЫ • Дорожные осадки в результате применения ПГР имеют высокую минерализацию за счет хлоридов кальция и натрия, а также повышенную щелочность, что обусловливает их высокую химическую агрессивность по отношению к асфальту, автопокрышкам и кузовам автомобилей. Они увеличивают коррозионную активность грунтов, способствуя разрушению подземной инфраструктуры города (трубопроводов, кабельных линий, канализационных сетей и т.п.). Абразивность твердого дорожного осадка ПГР вызывает ускорение износа асфальтового покрытия, автопокрышек и обуви.

• Попадая в почвы, подпочвенные грунты и подземные воды, дорожные осадки после применения ПГР вызывают существенное изменение их химико-минерального состава, структуры и всего комплекса свойств, обусловливая развитие или активизацию в подземном пространстве города целого ряда негативных инженерно-геологических процессов: суффозии, внутрипластовых размывов, подтоплений, снижения несущей способности грунтов и т.п.

• За счет влияния загрязненных ПГР дорожных осадков на почвы в зимний период по обочинам дорог формируется устойчивое засоление почв, меняются их химический и элементный состав, структура и свойства, снижается плодородие, уничтожается микрофлора и микрофауна — происходит общая деградация почвенной экосистемы. Это, в свою очередь, ведет к гибели растений, произрастающих на таких загрязненных почвах, и соответственно к целому ряду других экологических последствий.

• Дорожные осадки после применения ПГР, попадая на одежду и обувь, вызывают их повышенный износ, меняют цвет, придают ломкость.

Их попадание на кожу животных или человека вызывает «щелочной ожог». Контакт любых организмов с остатками ПГР опасен.

Выводы животного, если оно будет облизывать свои лапы. Рекомен дации административных органов Москвы «не прогуливать животных» по дорогам, обработанным ПГР, остаются бла- Проведенные исследования позволяют сделать ряд вы водов (см. Основные эколого-геологические последствия…) гими пожеланиями: попробуйте погулять с вашей собакой в Москве, не пересекая ни одной дороги. Дикие животные, и высказать некоторые рекомендации.

главным образом птицы, в этом случае оказываются еще Применение ПГР ведет к ухудшению эколого-геологи более уязвимыми. ческих условий на территории города в зимний период, Для того чтобы оценить воздействие остатков ПГР на вследствие чего необходимо: (1) существенно сократить человека через его органы дыхания, безусловно, надо про- объемы применения ПГР до уровня не более (или гораздо водить специальные медико-санитарные экологические ис- менее) 30–50 тыс. тонн за сезон;

(2) ужесточить контроль за следования, в которых должны быть заинтересованы ад- соблюдением технологий и объемами применения ПГР, пе министративные органы Правительства Москвы. Не ис- ресмотреть нормы их использования;

(3) полностью запре ключено, что вдыхание человеком паров, обогащенных ис- тить применение технической соли, даже в составе смесей парениями с дорог, содержащими в себе различные ток- ПГР, для посыпки дорог в г. Москве;

(4) обеспечивать бы сичные компоненты после применения ПГР, приводит к строе и своевременное удаление дорожных осадков с остат хроническим и тяжелым заболеваниям легких, к аллергии, ками ПГР с дорог, не допуская появления жижи и проявле астме и т.д. ния ее агрессивных свойств.

Таким образом, дорожные осадки после применения ПГР Авторы благодарят О.И. Голубцову и М.С. Чернова оказывают комплексное отрицательное влияние как на жи за помощь в проведении отдельных лабораторных вотных, так и на человека и ухудшают общую экологическую исследований в процессе данной работы.

обстановку в городе, и без того далекую от идеальной.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Королев В.А. Геологический риск, вызванный применением противогололедных реагентов // Геориск. 2009. № 1.

2. Королев В.А., Соколов В.Н., Самарин Е.Н. Эколого-геологические последствия применения в г. Москве противогололедных реагентов // В сб.: Ломоносовские чтения. Сек. «Геология». Апрель 2009. М.: Изд-во МГУ, 2009.

3. Лабораторные работы по грунтоведению: Учеб. пособие // Под ред. В.Т. Трофимова и В.А. Королева. М.: Высшая школа, 2008. 519 с.

4. Мазепова В.И., Бережная Ю.А., Александровская Е.И. Применение хлоридов для борьбы с гололедом и их воздействие на окружающую среду // Автомобильные дороги. 1986. № 10.

5. Маркова Ю.Л. Оценка воздействия промышленности и транспорта на экосистему национального парка «Лосиный остров»:

Автореф. дис. …канд. геол.-минерал. наук. М.: Изд-во МГУ, 2003. 22 с.

6. Москва: геология и город / Под ред. В.И. Осипова, О.П. Медведева. М.: АО «Московские учебники и Картография», 1997. 400 с.

7. Николаев Ю.Н., Шестакова Т.В., Нефедьев В.В. и др. Оценка геохимического загрязнения национального парка «Лосиный остров». М.: Прима-Пресс, 2000. 111 с.

8. Соколова О.В. Экспериментальное исследование и термодинамическое моделирование миграции тяжелых металлов в системе «вода — донные отложения» в зоне антропогенного воздействия: Автореф. дис. …канд. геол.-минерал. наук. М.:

Изд-во МГУ, 2008. 24 с.

9. Полищук М.И. Зимняя снегоуборка как фактор влияния на окружающую среду. Геоэкология урбанизированных территорий:

Сб. тр. Центра практической геоэкологии / Под ред. В.В. Панькова, С.М. Орлова. М.: ЦПГ, 1996. 108 с.

10. Хомяков Д.М. Прогнозная оценка воздействия противогололедных реагентов на почвы Москвы (Методические подходы и история вопроса): Тр. XI Межд. науч.-практ. конф. «Проблемы озеленения крупных городов», 2008 г. — http://www.gardener.ru/docs/konf/39.doc.

ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ Март

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.