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融雪剂到底怎么用,用多少?

2022-08-30 09:33:44

      

融雪剂通过降低冰雪融化温度融化道路上的积雪,给我们带来便利的同时,它的很多危害性也慢慢为人所知。自20世纪60年代以来,就融雪剂的使用对环境的影响进行了许多研究。加拿大环境部编写的一份研究建议《加拿大环境保护法》就已将融雪剂视为“有毒”。由于对各类融雪剂不利环境影响的担忧,人们开始积极主动地去对冰雪控制策略模式进行改变。美国于20世纪60年代开始大量使用氯化钠融雪剂,据统计近年来融雪剂年使用量约2 000万t。我国融雪剂的使用也有近30年历史,使用量呈现明显增长趋势,每年平均融雪剂用量为60万~70万t。

目前使用的融雪剂大体分为两类,一类是氯盐类融雪剂,主要是氯化钠、氯化钙氯化镁等;另一类是环保类,主要是醋酸类、醇类、尿素类等。目前国内外用得最多的融雪剂还是氯盐类,氯盐类融雪剂因价格低廉、融雪效果好,短期内难以被取代。文中将以氯盐类融雪剂为例,研究融雪剂迁移过程对水体、水生生物、土壤、陆地植物和陆地动物构成风险和减少滑雪场融雪剂使用影响的方法。

2 融雪剂迁移扩散特点

融雪剂施撒后主要扩散途径:

随道路径流汇入池塘、湖泊、溪流;

池塘、湖泊汇入溪流;

随溪流汇入大河最后流向大海;

土壤下渗进入地下水;

随地下水汇入大河最后流向大海;

随地表径流在断裂带等特殊地形汇入地下水。

融雪剂施撒后次要扩散途径,部分融雪剂在土壤积累并被植物吸收,另一些融雪剂则被吸附带走和空气流动等条件下发生转移,其迁移路线见图1。

融雪剂扩散、迁移等还与融雪剂的类型、使用方式、道路特性、降雨、风力风向、地形地貌、水文特点、土壤、植被等环境有密切关系。目前,对于融雪剂累积、扩散的研究主要以城市道路为中心的周边水体范围,而不同融雪剂在不同环境介质中的迁移、扩散等方面的系统研究还较少。

 融雪剂迁移路线

融雪剂的迁移、扩散途径主要依靠地表径流,城市不可渗透地表形成的径流,常含有有机和无机化合物等,融雪剂在迁移过程中会在地表水系积累。张营等研究发现,沈阳冬季城市中使用融雪剂导致径流中的K+、Ca2+、Na+、Mg2+、CI-和SO2-4等离子含量增加,并随着径流进入地表水系,进而导致地表水体中盐含量的增加,沈阳地表水系40个样品中,湖泊水样中Na+、Ca2+和Cl-含量高于城市河流,表明Na+、Ca2+和C1-在水系湖泊处有沉积。Hoffman等研究表明,在美国加利福利亚州北部,融雪剂的使用量与附近河流中C1-含量之间有很高的相关性,且河流下游C1-含量高于上游。美国东北部,那里城市河流中的氯离子浓度据记录高达5 000 mg/L。对明尼苏达州城市湖泊的水质进行了调查,由于明尼苏达州地质中的NaCl天然来源非常有限,因此NaCl的来源是人为因素,在所调查的13个城市湖泊中,每年的储存/冲洗速度为湖泊中最低盐含量的9%~55%,来自该州38个湖泊的历史氯化物浓度数据年平均增长率为1.8%(范围从0.1%~3.0%)。2005年,瑞典学者Thunqvist研究发现,C1-浓度的区域性增高,融雪剂的使用是非常重要的原因。在瑞典,冬季径流中的氯离子浓度在冬季也达到了3 500 mg/L,而夏季的平均值为15.6 mg/L。据研究,赫尔辛基的道路融雪剂使用量平均60.4 t/km²,其中约35%~50%的融雪剂被运输到大海中,在美国,这一比例为23%~81%,假设赫尔辛基24条河流的集水区总面积为112 km²,每年以这种方式进入海中的融雪剂约为3 000 t,此外,据估计大约有1 500 t融雪剂在地表水系积累。对多伦多的道路径流去除融雪剂的研究发现,每年有45%的Cl-被地表径流带走,其余的留在土壤或地下水中,这将引发有关融雪剂对地表水系和其他生物环境境的严重影响。

3 氯盐类融雪剂环境影响


3.1 对水体的影响

融雪剂随地表径流或土壤扩散至溪流、湖泊等水域后,其影响主要体现在:

引起水体密度梯度的变化。融雪剂进入水体后,由于水含盐量升高,密度增大,造成水体中离子浓度分布不均,抑制了湖水对流运动的发生,使底部水体长期缺氧;Cl-含量高、溶解氧缺乏的环境也促进了底泥中汞、磷及一些金属元素的释放,导致水体生态特征发生变化。造成水体污染物种类和数量的增加。Maxe等和Ann等发现大在量使用融雪剂的城市公路和城市水域附近中,Cl-的含量都有一定的升高。且不同融雪剂种类其添加剂成份也存在不同,进入水体的离子成份也复杂多样,如Na+、Mg2+、Ca2+、Cl-、SO2-4、Ac-、Pb2+、Cu2+、Cd2+等。

刺激藻生长。融雪剂进入水体,使得某些营养物质的增加,促进藻类的生长,引起细菌总数、BOD、或然数计数(Most probable number,MPn)指标增大。据研究,藻类最适宜的Na+浓度仅为5 mg/L,浓度超过40 mg/L时就会引起蓝藻的过度繁殖现象,因此水体中Na+含量与水体富营养化之间可能存在着一定的相关性。

3.2 对水生生物的影响

在很多河流湖泊中Cl-初始浓度可能低至2~3 mg/L,大多数水生动物可以忍受超过该量10~100 倍甚至更多而对他们的生命活动没有什么有害影响。例如虹鳟(Oncorhynchus mykiss)可以忍受20 000 mg/L的Cl-浓度,鲫鱼、大鳞鲃、松浦镜鲤、草鱼、鲢鱼等的半致死剂量在11 000~12 000 mg/L。但是也有某些鱼类耐受Cl-浓度低于1 000 mg/L,例如,黑头呆鱼(Pimephales promelas)在12~23 mg/L的较低浓度下,种群和群落结构会发生变化。部分淡水生物随着盐度增加到1 000~3 000 mg/L的浓度,水生动物的种类、数量开始减少。另外由于含Cl-的水比不含Cl-的水更稠密,因此会在湖底形成富含盐的晶状体的水,从而导致底层隔离,导致氧气耗竭和最底层的无脊椎动物和鱼类死亡。

3.3 对土壤的影响

融雪剂最直接危害的对象是土壤,进入到土壤中的盐类物质长时间地滞留而引起土壤物理、化学及生物学性质的改变。氯盐型融雪剂在土壤中具有较高的溶解度,当Na+浓度过高时,可置换出土壤中的Ca2+、Mg2+、Pb2+、Ni2+等阳离子,使土壤的pM(金属离子浓度的负对数)值升高而引起土壤粘土颗粒的弥散,从而影响土壤团聚体的稳定性和土壤的渗透能力。当Cl-浓度过高时,会和重金属离子(包括Cu、Al、Hg、Cd、Pb等重金属)络合,增加重金属的水溶性,从而增加对水体的污染风险。土壤性质的改变使得了水土流失和土壤质量恶化加速。另外营养物质以及微量元素被转移到地表水中,会造成土壤养分的缺乏和对地表水的污染。同时土壤中可溶性钠过高也会对土壤和植物产生不良的影响。

3.4 对陆地植被的影响

Cl-融雪剂对植被的影响取决于植物的年龄以及种类对土壤性质变化条件的耐受性。植物中Cl-含量升高的具体影响包括:抑制水分和养分吸收、渗透压改变、减少开花和种子发芽、减少芽和根的生长、叶片变褐和过早掉落、由于破坏养分吸收而导致某些物种的营养失衡、树冠变薄、对其他压力和疾病的抵抗力下降、植物死亡。另外,融雪剂对植被的破坏会扩大融雪剂对饮用水水质的影响。Cl-融雪剂对植被的影响大部分都发生在路边,在美国距道路30 m以内的约5%~10%树木损坏或死亡的原因都是由氯化钠造成。不同植物对融雪剂中Cl-的敏感性不同,通常,草比树木更耐融雪剂;大多数1年生或寿命较短植物相对耐受Cl-;藤本植物和木本观赏植物对Cl-非常敏感。西方肥料手册提供了植物中Cl-安全水平的信息,氯离子浓度低于70 mg/L对所有植物都是安全的;浓度在70~140 mg/L将对敏感植被造成一些损害;140~350 mg/L的浓度将对中度耐性植物造成一些损害;浓度大于350 mg/L会严重破坏植被。Na+由于会在树枝中积累,并且在叶片干重超过0.3%时可能对植物的有影响。

3.5 对陆生动物的影响

鸟类和哺乳动物通常在饮食中摄取不到足够的盐分,因此,寻找盐也是它们的一个生理特性。在美国和加拿大的许多地区因鸟类在道路上吃盐而被车辆杀死的现象非常常见。由于鸟类会摄取盐晶体作为砂粒以帮助研磨食物,从而可能遭受急性盐中毒,小型哺乳动物和鸟类通常更容易受到盐的毒性作用,据研究麻雀的致死盐剂量为3 000 mg/kg。通常情况大型哺乳动物(例如驼鹿,梅花鹿等)在有足够饮用水条件下,对盐的耐受性通常很高。例如,家畜(例如绵羊)能适应盐度为1.3%的水,而不会对体重和羊毛产生不利影响。融雪剂还可能通过破坏食物资源,栖息地走廊,庇护所以及繁殖或筑巢地点,从而影响野生生物。

4 滑雪场融雪剂问题分析

4.1 滑雪场融雪水平衡计算

融雪剂随着水体进行迁移(见图1),以北京某滑雪场为例,地层的实际地表入渗系数按0.35考虑,通过在中国气象科学数据共享网对比近2年降雨量与蒸发量(见表1),经过计算,融雪水的总蒸发量为34.7%,地表下渗28.0%,地表径流17.3%,融雪水平衡如图2所示。28.0%下渗的含大量融雪剂的水进入环境中可能就会对滑雪场及周边环境造成影响。17.3%水形成地表径流不论是汇入地表水还是储存起来循环使用,若含有大量融雪剂都会产生不利影响。

 融雪水平衡示意

4.2 滑雪场融雪剂使用量估算

由于滑雪场大部分都建设在北方山区,温度偏低,基于北京市扫雪铲冰应急预案,当环境温度低于-10 ℃,降雪为中雪时,估算的融雪剂使用量为雪前预撒30~50 g/m²,雪后使用量为50~80 g/m²,总的融雪剂使用量以平均值105 g/m²来计算。以北京市及周边19个滑雪场为例,单个滑雪场通往滑雪场所修道路和雪场内道路总长以平均10 km计算,路宽以双车道7 m计算,道路面积达到7 hm²;停车场规模以平均1 500个车位计算,每个车位以25 m²面积计算,平均停车场面积达到3.75 hm²,单个滑雪场道路和停车场总面积约10.75 hm²。截止到2012年,滑雪场数目为348个,滑雪人数610万人,每个滑雪场平均1.75万人,所以人均道路和停车场面积是6.14×10-4 hm²。到冬奥会举办时,滑雪人数预估会增加到3 000万人,在-10 ℃,降雪为中雪时的融雪剂使用量将达到1.8万t,在达到3亿人的目标时,总的融雪剂使用量将接近18万t,达到我国总融雪剂使用量的30%左右。

4.3 滑雪场融雪剂管理问题

国外融雪剂使用管理方法:

①因地制宜建立流域管理措施(Best management practices,BMPs)等实践管理措施;

②使用融雪剂后盐含量变化公示政策,包括氯、钠、钙、镁等离子监测检测数据,并征得受影响群众同意。

国内融雪剂使用管理方法:

①建立融雪剂使用预案;

②直接禁止使用。

与国外相比现有的融雪剂使用预案适用性不够全面,一般只适合于城市使用,另外在融雪剂的管理上很多地方直接采取禁止使用方案,不符合社会的发展。例如北京市现有的融雪剂管理预案《北京市扫雪除冰应急预案管理措施》部分内容如下:“严禁将含有融雪剂的冰雪堆放于绿地、树池或其融化后有可能影响植物生长的地区内;道路上的积雪应堆放在靠近便道的马路边上,堆放的雪堆距离雨水口50 cm以上,黑雪和黑冰要及时运到指定的消纳场地”。大部分的管理措施都不适用于滑雪场。

国内滑雪场的运行基本依靠人造雪,需要大量的水资源,在很多地方,造雪水循环利用就是一个方向,但融雪剂的过量使用可能会导致回收利用的融雪水含有大量融雪剂。因此需要对融雪剂使用量进行定量计算,确定氯盐类融雪剂单次使用量,年使用量;研究融雪剂的扩散机理,评估盐分随着时间积累对水质的影响;研究氯盐类融雪剂在滑雪场内土壤中Cl-多年累积的结果。

5 融雪剂限值计算方法

5.1 研究线路

现有对融雪剂的研究都是停留在融雪剂对环境影响的定性研究,主要是一定量的融雪剂对土壤、水质、水生生物、陆地植物、陆地动物的影响和融雪剂对于道路、建筑的破坏性研究上。国内文献还没有对于某个区域的融雪剂定量研究,国外暂时只查到一篇以氯盐类融雪剂中氯离子为示踪剂,基于GIS的稳态模型来模拟土壤和水体氯离子浓度,以氯离子含量表征融雪剂对环境影响程度。由于融雪剂符合非点源污染的随机性、广泛性、滞后性、不确定性、难监测性、难治理和公众意识不强的特性,所以本研究把融雪剂看作非点源污染进行研究。研究线路如图3所示,为建立滑雪场融雪剂使用预案,需了解融雪剂在滑雪场的积累迁移情况,对滑雪场融雪剂进行限值计算,可采取对研究滑雪场进行建模的方法进行定量计算,设定模拟情形,模拟出所需要的结果。为减少融雪剂对滑雪场环境影响,可采用融雪剂择优选择方法从源头控制和结合BMPs管理措施改变融雪剂迁移者两方面来减少融雪剂危害。

技术路线

5.2 滑雪场融雪剂限值计算

现在代表性面源污染研究模型有ANSEERS、SWAT、AGNPS和BASINS等。而最常用的面源污染模型就是SWAT,通过搜集的资料进行SWAT模型的本地化,包括参数敏感性分析、模型校准以及模型验证,然后设定情形开始模拟。通过建立融雪剂使用预案,预估融雪剂的施放量,运用SWAT模型模拟出融雪剂的积累与迁移情况,分析模型拟输出结果,把预估结果与实际水体数据进行对比,确保模拟结果更接近实际情况。研究滑雪场环境能承受的融雪剂单次使用量、年使用量,确定融雪剂对滑雪场多年累积影响,对模拟出的结果进行分析与建议,建立滑雪场融雪剂使用预案。

6 小结

融雪剂的使用要在在理性、科学、环保的原则下,尽可能减少融雪剂对环境的破坏,避免“防天灾致人祸”的现象发生。

融雪剂被施撒后,在环境中随地表径流进行迁移,在地表水系中积累可能导致水环境退化;融雪剂随着径流迁移、积累不仅对水体造成影响,还对水生生物、土壤、陆地植物、陆地动物造成影响;

现有对融雪剂的各种规范、使用预案都还不是很健全,滑雪场数量在快速增加,应尽快出台相关滑雪场融雪剂使用预案;

选择合适的非点源污染研究模型,对融雪剂迁移扩散进行研究,对融雪剂使用量进行控制。

现有的融雪剂研究大部分都集中在对环境影响的定性研究和一些道路及建筑物的破坏性研究,而对某个区域融雪剂管理和污染研究很少,应开展更多相关研究。


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