Грубодисперсные экраны и покрытия в городском конструировании почв

Грубодисперсные материалы и отходы широко распространены в городском хозяйстве. В качестве материалов они имеют достаточно высокую рыночную стоимость (порядка 1000 руб./м в столичном мегаполисе) и используются в дорожном строительстве, комплексном благоустройстве территорий, при борьбе с гололедом и т.д. Вместе с тем город производит сотни тонн грубодисперсных минеральных отходов, утилизация которых является определяющей проблемой городского хозяйства.

Это в первую очередь так называемые котлованные грунты - отходы, возникающие при рытье котлованов для строительства зданий, прокладке подземных коммуникаций. Большая часть крупных городов расположена в долинах крупных рек, аллювиальные отложения которых имеют преимущественно легкий гранулометрический состав (пески, супеси, гравий).

Многочисленные бетонные, кирпичные, каменные сооружения в городе, приходя в негодность, являются потенциальным источником грубодисперсных отходов в виде щебня. Существуют эффективные технологии и агрегаты, позволяющие прямо на месте при сносе ветхого жилья, реконструкции жестких покрытий и коммуникаций получать щебень различных фракций посредством дробления и отсева. Способы утилизации котлованных грунтов и щебнистых отходов могут быть, как уже отмечалось, самые разные, и в настоящем сообщении приводится информация об их использовании в почвенном конструировании.

1. Внутрипочвенные защитные экраны. Внедрение прослоя грубодисперсного материала на определенную расчетную глубину внутрь почвы может быть использовано для оптимизации ее водного режима и борьбы с техногенным загрязнением и загрязнением водорастворимыми поллютантами (Смагин; 2012, 8та§тега1., 2005). Априори считается, что такая прослойка будет способствовать дренажу вышележащей почвенной толщи ("сплошной дренаж") и уменьшению ее влажности, однако это далеко не всегда правильно. Все зависит от глубины закладки прослоя (Н) и гранулометрического состава (водоудерживающей способности) вышележащей почвенной толщи (Смагин и др., 2008).

А) - динамика капиллярного рассасывания влаги в аридной пылевато-песчаной почве (ОАЭ) с прослоями СПГ, торфа и щебня: И, мощности исходных слоев и положение верхней и нижней границ увлажнённого срединного слоя (фронтов впитывания); Б) - распределение влаги после гравитационного оттока и наименьшая влагоёмкость (НВ) слоистых почвенных конструкций в полевых опытах УОПЭЦ МГУ «Чашниково»: А - контроль (дерново-подзолистая почва); Б - почвенные конструкции с послоями трофонавозного компоста; №1 - 1 слой, №2 - 2 слоя, №4 - компоста и щебня, №№ 3, 5 - щебня (поСмагин и др., 2008, Смагин, 2012).

Экран отсекает капиллярное рассасывание влаги в глубь почвы, и в результате при небольших величинах Н (10-40 см) и хорошем водоудерживании влага, напротив, накапливается в верхнем слое, обеспечивая дополнительное питание корням растений. На рис. 1 приводятся результаты экспериментальной оценки этого положения в лабораторных и полевых опытах со слоистыми почвенными конструкциями (Смагин, 2012, Смагин и др., 2008).

Другой положительный эффект от внедрения грубодисперсного прослоя - блокирование восходящих капиллярных потоков в вышележащую почвенную толщу. Именно они приводят к концентрированию солей и токсичных водорастворимых веществ в корнеобитаемой зоне при испарении влаги. Экран надежно защищает эту зону от вредных веществ, которые, будучи удалены за его пределы при обильных осадках или промывках, уже не в состоянии вернуться назад из-за разрыва капиллярности в такой конструкции. В результате за несколько десятков дней удается полностью справиться с такими серьезными почвенными проблемами, как вторичное засоление и техногенное загрязнение корнеобитаемого слоя (рис. 2).

II Грубодисперсные покрытия. Не менее перспективным является размещение грубодисперсных минеральных отходов не внутри, а на поверхности городских почв и почвенных конструкций. Так, в сельском хозяйстве, луговодстве, озеленении известны способы пескования поверхности почвы под травянистой растительностью (покровная культура торфяников, пескование газонов и лугов), приводящие к улучшению плодородия и продуктивности (Зайдельман, 2009; Смагин, 2012). Среди разнообразных механизмов подобной оптимизации биоресурсного потенциала, на наш взгляд, следует выделить снижение биодеструкции и консервацию органического вещества почвы - материального носителя ее плодородия.

Особенно актуально это положение для органогенных почв и субстратов. Так, при городском озеленении часто используются облегченные торфяные грунты и смеси, размещаемые на поверхности вместе с семенами газонных трав. Давая сиюминутный эффект в виде быстрого прорастания семян и формирования газона, такая технология уже через 2-3 года приводит к полной деградации растительного и почвенного покрова по причине быстрой биодеструкции торфа на поверхности. Газон уступает место сорным травам, которые осваивают обнажившийся после деструкции торфа, чаще всего неплодородный минеральный строительный грунт. Возникают новые серьезные затраты на "ремонт" газона, а то и на его полную замену на новый.

Избежать подобных затрат возможно при удалении органогенных почвомоди-фикаторов и плодородных субстратов на определенную глубину (Н) посредством экранирования песчаным материалом (Смагин, 2012).

Зависимость скорости биодеструкции от глубины почвы носит экспоненциальный характер и отличается для большинства почв резким падением по мере удаления от поверхности. Используя разработанные нами номограммы, легко определить глубину, на которой биодеструкция снижается в заданное число раз, если известен экспоненциальный показатель (Ь) (определяется экспериментально по удельному дыханиюобразцов почвы), а в более простом случае - мощность биогенного слоя почвы (п_Ь) (рис. 3) (Смагин, 2012). Оценка по номограммам чрезвычайно проста.

Необходимо отложить по горизонтальной оси значение соответствующего показателя (Ь или п_Ь), затем спроецировать его на кривую кратности уменьшения деструкции и найти вертикальную координату полученной точки пересечения. Эта координата в см даст необходимую глубину заложения органического материала или мощности слоя минерального почвогрунта, экранирующего данный материал от поверхности. Например, при полевом обследовании территории, на которой планируется создать почвенную конструкцию, обнаружено, что мощность биогенного горизонта п_Ь равна 13 см. Тогда по нижней номограмме рис. 3 находим значение мощности перекрывающего органический материал слоя, задавая ту или иную кратность снижения его деструкции. Так, для двукратного снижения (кривая с серым треугольным символом) достаточно 4 см покрытия, для четырехкратного (черный треугольный символ) - 8 см, а при удалении биополимера на глубину 12 см от поверхности срок его службы можно увеличить на порядок.

Часто при почвенном конструировании на ответственных объектах озеленения плодородный органический материал располагают в несколько слоев, перекрывая их грубодисперсным грунтом (Смагин, 2012). В этом случае на глубине создается своеобразное депо для корневого потребления в виде погребенных 1 -2 слоев из органических почвомодификаторов. При посадке семенами с небольшим количеством торфа (растительного грунта) на поверхности газон быстро прорастает, набирает массу и развивает корневую систему. Однако, в отличие от традиционной технологии, он не деградирует из-за быстрого разложения торфа на поверхности. Корни уходят вглубь и находят необходимые элементы питания и влагу, особо дефицитную в период летних засух, в погребенных плодородных слоях.

В завершение работы обратимся к еще одному варианту грубодисперсных для территорий покрытий, перспективному для территорий с повышенной техногенной нагрузкой (Смагин, 2012). Покрытием здесь служит щебень, полученный из городских строительных отходов (бетон, кирпич, плавленая стеклотара и т.д.) Грубодис-персный материал располагается прямо на поверхности почвы, которая в этом случае фактически перестает служить целям озеленения, однако продолжает выполнять все остальные экологические функции для городской среды - газовую, поглощения, впитывания и очищения поверхностных вод, деструкции органических отходов и поллю-тантов, иммобилизации вредных минеральных веществ и т.д. Покрытие полностью предотвращает эрозию поверхности, пыление вдоль дорог в сухое время. Оно устойчиво к механическим нагрузкам (наездам автомашин, рекреации), не образует грязи во время ливней и таяния снега, не зарастает сорняками. В эстетических целях можно внедрять на территории со сплошным покрытием отдельные элементы с нормальной почвой и растительностью в виде цветников или отдельно растущих групп кустарников и деревьев-солитеров. Для них помимо открытой почвы, непосредственно под растительностью остается огромная площадь водного и минерального питания в виде окружающего погребенного грубодисперсного материала почвенного покрова.

Грубодисперсное покрытие резко снижает эмиссию диоксида углерода в атмосферу при сохранении поглощения газов и паров почвой, в том числе и столь вредного угарного газа (Смагин, 2012; Смагин и др. 2009). В полевых экспериментах по экранированию поверхности почвы, проведенных нами в УОПЭЦ МГУ «Чашниково» и на тестовых площадках г. Москвы, получено сокращение под слоем щебня в 5-10 см на 60-85 % испарения, в 4-11 раз эмиссии диоксида углерода и увеличение на 80-100 % запасов влаги.

На рисунке 4 приведены выборочные данные одного из таких экспериментов с оценкой эмиссионных потоков СО2 и паров воды поверхностью дерново -(урбо)подзолистой средне-суглинистой почвы в зависимости от экранирующего слоя щебня. В верхней части рисунка содержатся данные по потокам диоксида углерода, а в нижней - по величинам удельных потоков СО₂и Н₂О, нормированных максимальными значениями, соответствующими эмиссии с неэкранированной поверхности (индекс <2/<2_мах). В наибольшей степени экранирование способствовало уменьшению потоков диоксида углерода. Испарение на этом фоне сокращалось не так сильно.

Вероятно, это связано с различиями в источниках газообразных веществ и механизмах их перемещения. Для СО2 основной источник - биогенный, и, возможно, удаление от поверхности (экранирование) сильнее сокращает его интенсивность, согласно полученной нами экспоненциальной зависимости (Смагин, 2012), рисунок 3. Доминирующий механизм перемещения - изотермическая диффузия, для которой поток пропорционален градиенту концентрации и, соответственно, обратно пропорционален расстоянию до границы с атмосферой (резервуаром низкой концентрации СО2) (Сма-гин, 2005). Испарение с поверхности почвы, напротив, чисто физический процесс, и на источник (переход части жидкой фазы почвы в пар) экран действовать не должен.

Основной механизм, ответственный за стадию быстрого испарения, - капиллярное поднятие, и здесь как раз экранирование (мульчирование) поверхности некапиллярным материалом будет действенным способом снижения испарения. Однако в паро-переносе изотермическая диффузия играет второстепенную роль и, по-видимому, здесь доминируют конвективные потоки (естественная конвекция при нагреве поверхности и вынужденная при наличии ветра) (Смагин, 2005). Очевидно, экранирование крупнопористым материалом не столь сильно влияет на конвективный массо-перенос по сравнению с диффузией, поэтому сокращение испарения выражено не так ярко, как динамика эмиссии СО₂.

В целом экранирование грубодисперсным материалом достаточно сильно снижает эмиссию газообразных веществ, что позволяет рекомендовать этот технологический приём для оптимизации газовой функции городских почвенных объектов вблизи автомагистралей или при рекультивации земель. Такие конструкции, в сочетании с локальным размещением растительности (солитеры, цветники) и дренажем для отвода загрязненных вод в ливневую канализацию, могут найти широкое применение на участках вдоль магистралей с повышенным техногенным прессом наряду с рассмотренными выше вариантами конструктозёмов с грубодисперсными противосолевыми экранами.