بخشی از مقاله
چکیده
هر ساله تعداد قابل توجهی از مردم در کشور هاي مختلف تحت تاثیر طوفانهاي برف قرار می گیرندو به طور مستقیم و یا غیر مستقیم جان خود را از دست داده و یا مجروح می گردند و خسارات زیادي به اموال و دارایی هاي آنها وارد می آید. متاسفانه در حال حاضر روش سنتی یعنی ریختن مخلوط شن و نمک بر روي آسفالت تنها روشی است که در تمام کشور استفاده می شود و معایب فراوانی دارد که سطح گسترده اي از آلودگی و همچنین آسیب به پوشش گیاهی و سایر ضایعات زیست محیطی اتفاق می افتد. در این مطالعه سعی شده تا دو متد نوین پیشگیري از یخ زدگی و یخ زدایی2با هدف بررسی میزان تاثیر گذاري و کارایی محلول نمک هاي کلرید کلسیم، کلرید منیزیم، کلرید پتاسیم، اوره و استات کلسیم منیزیم (CMA)، بعنوان جایگزین کلرید سدیم جهت کاهش عوارض زیست محیطی نمک پاشی در شهر تهران براي اولین بار مورد بررسی قرار گیرد.
این تحقیق نشان می دهد که در مقایسه با متد هاي سنتی، روش هاي پیشگیري از یخ زدگی و یخ زدایی با تهیه محلولهاي نمکی متدهاي موثري در کاهش هزینه هاي اقتصادي و پیامدهاي زیست محیطی می باشند. از طرف دیگر با مقایسه میزان کارایی و تاثیرات زیست محیطی مواد مورد استفاده، محلول کلرید منیزیم ماده بسیار مناسبی بعنوان جایگزین نمک می باشد و اثرات زیست محیطی کمتري را در بر دارد.
کلمات کلیدي: استات کلسیم منیزیم (CMA)، پیشگیري از ایجاد لایه برف و یخ، کلرید سدیم، کلرید منیزیم، یخ زدایی.
مقدمه
برف و باران یکی از زیباترین نعمت هاي خداوند است. حال آنکه رشد جمعیت و پیچیدگی جوامع شهري نزول این نعمت را با مشکلاتی روبرو کرده است، بخصوص در کلانشهر تهران این زیبایی به دردسري تبدیل شده که به محض نزول همه شهروندان را به نوعی با مشکل مواجه می کند. پیشگیري از یخ زدگی در معابر درون و برون شهري بسیاري از کشور ها نظیر آمریکا، کانادا، نروژ، سوئد، چین و... الزامی بوده و از وظایف جاري و متعارف دستگاههاي متولی محسوب می شود. بطور کلی برفروبی و یخ
زدایی معابر داراي مزایاي فراوانی است از جمله: ایمنی استفاده کنندگان از راه، حمل و نقل ایمن، کاهش تصادفات، کاهش تلفات جانی و زیان هاي مالی، افزایش سرعت تردد وسایل نقلیه و کاهش تراکم ترافیک، کاهش استرس هاي ناشی از ماندن در برف و یخ، کاهش ازدحام و تاخیر هاي بسیار و از دست رفتن ساعات کار، جلوگیري از شکایات مردم از یکدیگر و شهرداري به خاطر تصادف و...، کاهش خسارات مالی ناشی از تصادفات جاده اي و افزیش سود ناشی از یخ زدایی و پیشگیري و کنترل تنش هاي عصبی. نمک در ابتدا در دهه 1930 جهت کنترل برف و یخ براي بهبود امنیت حمل و نقل روي جاده ها استفاده شد .(1) مصرف جهانی نمک براي کاهش یخ زدگی در سطح جاده ها بین 17 تا 30 میلیون تن در سال است. از دهه 1950 میلادي روش هاي جدید یخ زدایی و پیشگیري از یخ زدگی در اروپا (مخصوصا فنلاند) و سپس در سالهاي بعد در دیگر نقاط دنیا استفاده شد.
روشهاي بدیعی براي یخ زدایی معابر در کشور ژاپن استفاده می شود به عنوان مثال: (a) استفاده از برق براي گرم کردن سطح جاده ها و یخ زدایی در مناطق برون شهري؛ (b) استفاده از آبهاي زیر زمینی حاوي املاح نمکهاي مختلف؛ (c) استفاده از مخزن ذوب برف؛ (d) استفاده از کانالهاي زیرزمینی ویژه انتقال برف در دو طرف خیابان .( 2) تورنتو در سال 2001 بعنوان اولین شهر
در کانادا برنامه مدیریت نمک را توسعه و اجرا نمود. تکنیک هاي پیش مرطوب سازي و پیشگیري از یخ زدگی را معرفی نمود، و سیستم هاي اطلاعات آب و هوایی جاده ها (RWIS) را در سرتاسر این شهر نصب نمود. درنتیجه بیش از یک میلیون دلار صرفه
جویی در هزینه ها طی زمستان 2001 انجام شد. در ونکوور استراتژي نگهداري زمستانه در این منطقه بر مبناي استفاده از یک ترکیب 50/50 درصدي از نمک و شن در سالهاي قبل بود ولی با استفاده از محلول کلرید منیزیم موفق به کاهش %64 در میزان استفاده از نمک و %73 کاهش در کلراید هاي منتشر شده به محیط زیست گردید. جایگزین نمودن CMA با نمک در اکثر نقاط انتاریو باعث افزایش قابل توجه سطح سرویس دهی شده است .(18) در نروژ از محلول نمکی بجاي نمک خشک یا از پیش مرطوب شده استفاده شد که نتایج بسیار مثبتی را به همراه داشته است .(24) در سوئد پخش نمودن نمک پیش مرطوب شده یا محلول نمکی یک تکنیک کاملا شناخته شده است که عمدتا نتایج مثبتی را با خود به همراه داشته است (14) بطور کلی در سالهاي اخیر، روشهاي پیشگیري از یخ زدگی و روش از قبل مرطوب سازي به تدریج پذیرفته شده اند و توسط آژانسهاي بزرگراه آمریکاي شمالی مورد استفاده قرار گرفته اند(.(8 در کشور ایران ساده ترین و با صرفه ترین و گاهی عملی ترین روش مقابله با برف و یخ در معابر عمومی استفاده از نمک است. پراکنش نمک که به صورت دستی و سنتی است که علارقم با صرفه بودن، آثار و معایب زیادي براي محیط زیست به دنبال دارد .(3) روش سنتی یخ زدایی یعنی ریختن مخلوط شن و نمک جامد بر روي آسفالت با استفاده از ماشین و بیل متاسفانه در حال حاضر تنها روشی است که در شهرها و جاده هاي بین شهري ایران، استفاده می شود و معایب فراوانی هم دارد منجمله: لطمه اي به روسازي آسفالت، انفعالی بودن این روش، جمع آوري شن پاشیده شده از روي سطح خیابان، ناکارآمدي نسبی آن در ممانعت از یخبندان، تاثیرات زیست محیطی منفی بر گیاهان، آبهاي جاري و زیر زمینی و خاك .(6) شهرداري تهران مبلغی نزدیک به 2/5 میلیارد تومان براي برف روبی مناطق 22 گانه خود هزینه کرده است.
پروژه یخ زدایی و پیشگیري از ایجاد لایه برف و یخ در معابر با محلول پاشی در مناطق 3 و 1 به طور آزمایشی در زمستان 1384
به صورت محدود اجرا شد که نتایج مثبت و موفقیت آمیزي نیز در بر داشت .(8)
از ضرورتهاي انجام این تحقیق می توان به موارد ذیل اشاره نمود: عدم انجام تحقیق در مورد استفاده سایر مواد جایگزین کلرید سدیم جهت مدیریت زمستانی معابر شهر تهران، عدم برنامه ریزي مدون و قابل اطمینان جهت جلوگیري از واکنشهاي انفعالی، آسیب پذیري آسفالت خیابانها نسبت به نمک، شن و ماسه (عمر آسفالت در ایران یک پنجم متوسط عمر آسفالت در کشور هاي توسعه یافته است)، هزینه بر بودن تعمیر و نوسازي آسفالتهاي تخریب شده توسط نمک و شن، بالا بودن حجم تخریب معابر و خیابانها، نبود راهکار مناسب جهت کاهش یخ زدگی معابر ، عدم مطالعه و بررسی عوارض بهداشتی و زیست محیطی روش سنتی یخ زدایی معابر، نا کارآمدي نسبی روش سنتی در ممانعت از یخبندان. در تحقیق حاضر سعی برآن است تا شناسایی مواد و متد هاي جایگزین نمک در یخ زدایی معابر شهري بعمل آید و افزایش کارایی روش هاي یخ زدایی مورد مقایسه قرار گیرند.
مواد و روش بررسی:
شیوه پیشگیري از یخ زدگی
پیشگیري از یخ زدگی عبارت از استراتژي نگهداري پیشگیرانه و سیستماتیک زمستانی جاده ها. هدف آن متوقف سازي تشکیل یا توسعه اتصال بین برف و یخ با هدف برف روبی آسان است. پیشگیري از یخ زدگی به معناي پایین آوردن نقطه انجماد در آستانه بارش، با پاشیدن مواد جلوگیري کننده از ایجاد یخ در سطح راهها می باشد. در کشورهاي پیشرو اولویت اول در عملیات برفروبی، پیشگیري از یخ زدگی است. در طرح پیشگیري از یخ زدگی بر اساس شرایط محیطی هر منطقه و استفاده از ترکیبات شیمیایی مناسب دماي نقطه انجماد سطح معابر پایین آورده می شود تا بدین وسیله با جلوگیري از یخ زدگی هاي زود هنگام فرصت انجام اقدامات احتیاطی و اجرایی لازم فراهم باشد .(3) روش آنتی آیسینگ بعنوان یک روش پرو اکتیو براي ایجاد ایمنی رانندگان در زمستان شناخته شده است .(16) در روش جدید نقاط کلیدي و گلوگاهی که نقش مهمی در جریان تردد خودروها دارند مثلا بزرگراههاي اصلی یا پلهاي مهم شهر را در مدت زمان معینی قبل از بارش تحت عملیات پیشگیري از یخ زدگی قرار می دهند.
این کار باعث می شود که عملا یخ اصلا در این نقاط ایجاد نشود .(3)
شیوه یخ زادیی
یخ زدایی، عملیات لازم براي از بین بردن لایه برف و یخ ایجاد شده بر سطح راهها و معابر است. اغلب، زمانی که برف به میزان
25 میلیمتر یا بیشتر متراکم شود و به سطح راه بچسبد، عملیات یخ زدایی را آغاز می کنند .(3) هدف آن شکستن اتصالی است که قبلا بین برف و یخ شکل گرفته است که معمولا حداقل 10 دقیقه یا بیشتر پس از اینکه برف تجمع یافته یا به جاده چسبیده است شروع می شود. زمانیکه نوع اقدام منفعلانه است یخ زدایی نامیده می شود و این استراتژي نیاز به نمک بیشتري خواهد داشت.
معمولا در تمام دنیا هر دو فعالیت یخ زدایی و پیشگیري از یخ زدگی همراه با هم و به صورت مکمل انجام می شوند .(6)
پارامتر هاي موثر در انتخاب ماده
دماي انجماد، دماي موثر ، درجه غلظت، اثرات زیست محیطی، خورندگی .(5)
پارامتر هاي موثر هواشناسی در عملیات پیشگیري از یخ زدگی و یخ زدایی
دماي هوا، پیش بینی تغییرات دما در ساعات اتی، رطوبت نسبی، شدت و جهت وزش باد، وضعیت سطح روسازي (خشک، خیس و مرطوب)، دماي سطح روسازي، نوع بارش (برف، باران، تگرگ) و شدت آن .(3)
روش جدید چند تفاوت اصلی با روش سنتی پاشیدن شن و نمک دارد. اول آن که موادي که استفاده می شوند دیگر شن و نمک نیستند بلکه محلول هاي مایع جدیدي هستند که متناسب با شرایط اقلیمی منطقه و نوع آسفالت تعیین می شود و در هر دو مرحله پیشگیري و نیز یخ زدایی استفاده می شوند. این مواد باعث می شوند نقطه انجمادي پایین تر از نقطه انجماد آب نمک پاشیده شده وجود داشته و نقطه انجماد محلول جدید از حداقل دماي محیط پایین تر باشد. تفاوت دوم در شیوه پاشش است که به سه روش:
دستی، نوع اتوماتیک و نوع هوشمند انجام می گیرد 3) )؛ .(6)
مواد شیمیایی براي یخ زدایی
شش ماده کلرید سدیم، کلرید کلسیم، کلرید منیزیم، کلرید پتاسیم، استات منیزیم کلسیم (CMA) و اوره در این مطالعه مورد استفاده و بررسی قرار گرفتند.
نمک
استانداردهاي متفاوتی در این خصوص استفاده از نمک متناسب با شرایط آب و هوایی و زیست محیطی وجود دارند که باید رعایت شوند در برخی از شهرها بهعنوان نمونه از ترکیب 23 درصدي نمک و آب استفاده میشود. پاشیدن این محلول بر روي خیابانهاي اصلی یخزدگی آنها را به حداقل میرساند. اینکار همچنین مانع از چسبندگی یخها به سطح آسفالتها شده و عملیات برفروبی را بسیار تسهیل مینماید .(9) البته به دلیل اثرات زیست محیطی این اقدام شهرهایی که به زمینهاي کشاورزي نزدیک هستند معمولاً از این شیوه کمتر استفاده مینمایند. ترکیب موثر کلرید سدیم در حالت محلول برابر با 23 درصد کلرید
سدیم و 77 درصد آب بر حسب وزن می باشد، که در حدود -21 سانتیگراد -6) فارنهایت) یخ می زند .(15) مقادیر 8-12 kg/lane-km از محلول نمک براي یخ زدایی کافی است .(17) در هواي زیر -10 درجه سانتیگراد نمک کارایی لازم را ندارد
.(3)
استات کلسیم منیزیم (CMA)
استات کلسیم منیزیم یک ترکیب پودري انسان ساخت حاصل از واکنش سنگ آهک دولومیت و اسید استیک است .(21) اگرچه به اندازه نمک و کلرید کلسیم محلول در آب نیست، اما از این ماده می توان به صورت ماده از پیش مرطوب کننده یا ماده شیمیایی مستقیما استفاده کرد.CMA عمدتا ترکیبی از کلسیم و استات منیزیم است، که با نسبت ترکیبی بهینه معرفی شده براي آن، نسبت
3 به 7 در دماي یوتکتیک حدود -28 سانتیگراد -18) فارنهایت) در غلظت 32,5 درصد است. محلولی با غلظت 25 درصد
CMA براي فعالیت هاي یخ زدایی پیشنهاد می شود .(15) مرطوب نمودن CMA یا ترکیب شن-CMA با یک محلول
CMA سطح کارایی را افزایش می دهد، مخصوصا در دوره هاي آب و هوایی سرد و خشک یا شرایط
نمک، CMA عملکرد کندتر و تاثیر پذیري کمتري را در باران خشک کننده طوفان هاي برف خشک و شرایط ترافیکی سبک
دارد .(21)
کلرید کلسیم (CaCl2)
ترکیب موثر کلرید کلسیم محلول تقریبا 30 درصد کلرید کلسیم و 70 درصد آب بر مبناي وزن است که در نهایت نقطه انجماد یک محلول را تا -51 سانتیگراد -60) فارنهایت) پایین نگاه می دارد .(15) کلرید کلسیم بعنوان یک یخ زداي صنعتی تا دماي -20
درجه سانتیگراد موثر می باشد. CaCl یک نمک گرمازا است. آن سریعتر از سایر یخ زداهاي معمول عمل می کند، ولی رطوبت را حتی پس از ذوب نمودن یخ از هوا گرفته و باعث مرطوب نگاهداشتن سنگفرش معابر می گردد .(8)
کلرید منیزیم (MgCl2)
اگرچه این ماده به شکل جامد در دسترس است ولی در کنترل یخ از حالت مایع آن استفاده می شود. این ماده در ذوب سریع برف و یخ شهرت دارد و در شرایط خاص براي اولویت هاي نخست که پاکسازي فوري مسیر مد نظر است بسیار کارآمد می باشد .(3)
همچنین به راحتی قابل انتشار بر روي سنگفرش ها به صورت محلول قبل از وقوع طوفان است .(27) دماي موثر محلول کلرید منیزیم بین کلرید سدیم و کلرید کلسیم است. ترکیب موثر محلول کلرید منیزیم21/6 درصد کلرید منیزیم و78/4 درصد آب بر حسب وزن است که در حدود -33 سانتیگراد -28) فارنهایت) یخ می زند. ترکیب هاي (خاص) حاوي 20 تا 25 درصد کلرید منیزیم به همراه افزودنیهاي ضد خورندگی وجود دارد این محلول ها یکی از عوامل ذوب یخ هستند که براي درجه حرارت بالاتر از -7 درجه سانتیگراد 19) فارنهایت) کاربردي هستند .(15)
کلرید پتاسیم (KCl)
دماي یوتکتیک آن حدود -11 درجه سانتگیراد -28) فارنهایت) در غلظت موثر33 درصد است.
اوره
اوره یک کود آلی است که بعنوان ضد یخ نیز مورد استفاده قرار می گیرد . CH4N2O در دماي حدود -9 درجه سانتیگراد بسیار موثر است. در اکثر موارد براي باند هاي فرودگاهی بکار می رود چرا که خاصیت خورندگی براي هواپیما ندارد .(3) اقدامات یخ زدایی هواپیماها بخش ضروري را در مسافرت ایمن هوایی به خود اختصاص می دهد، ولی باعث تولید و انتشار مقادیر زیادي از محلول هاي یخ زدایی به محیط زیست می گردد دماي یوتکتیک آن حدود -12 درجه سانتگیراد در غلظت 33 درصد است
.( 21)
بررسی صدمات و عوارض زیست محیطی
صدمات وارده در اثر استفاده از مواد یخ زداي رایج (نمک و شن)
بطور کلی منابع پذیرنده و آسیب پذیر نسبت به استفاده از نمک در زمان عملیات برفروبی شامل: سفره هاي آبهاي زیر زمینی، منابع آب آشامیدنی، گیاهان حساس به نمک، زمین هاي داراي رطوبت که خاکهاي حساس به نمک، سدهاي کوچک و دریاچه ها، رودخانه ها با جریان پایین، مناطق و اراضی کشاورزي و باغات شهر تهران .(3) هر نمکی که در محیط منتشر می گردد سرانجام در بخشی از محیط در مقادیر قابل ردیابی باقی خواهد ماند. نمکی که روي برف یا یخ پخش می شود وارد یکی یا ترکیبی از سه مسیر نهایی ذیل خواهد شد: (a نمک ممکن است در برف ذوب شده، حل شود و مستقیما بصورت هرز آب دراید،
(b) پخش نمک توسط خودروها به محیط حاشیه جاده ها، جایی که نمک ممکن است به سمت پایین و بداخل خاك تراوش نماید و در دسترس ریشه گیاهان قرار گیرد یا سفره هاي آب زیر زمینی یا مستقیما بر روي گیاهان حاشیه جاده ها ته نشین گردد یا یخ مملو از نمک و برف ممکن است بارگیري و سرانجام دور ریخته شود .(21)
اثر نمک بر روي بافت خاك
تنش هاي غیر زیستی مانند شوري، خشکسالی و قلیائیت حاصلخیزي محصول را در سرتاسر جهان کاهش می دهند . تاثیرات منفی استرس نمک عمدتا به دلیل تنش اسمزي و سمیت یونها ایجاد می شود .(10)
وجود سدیم قابل تعویض به میزان زیاد در خاك موجب بالا رفتن pH تا بیش از 9 می شود چنانچه این گونه خاك از طریق آبیاري شستشوي حاصل نماید رس آنها متورم شده ذرات رس به صورت پراکنده در می ایند. همچنین نمک می تواند باعث بالا رفتن سختی خاك و کاهش نفوذ پذیري آن گردد . افزایش سطح نمک در خاك ها می تواند توانایی گیاهان را در جذب آب و مواد غذایی کاهش دهد و در نتیجه رشد گیاهان را کم کرده و متعاقبا روي زیستگاه حیوانات اثر بگذارد.استفاده از نمک خواص شیمیایی و فیزیکی خاك را از بین می برد. مهمترین اثر نمک بر خاك از بین بردن میکروارگانیسم هاي خاك (تخریب بافت بیولوژیکی) و همچنین عدم جذب آهن می باشد. آهن در چرخه تولید کلروفیل برگ ها نقش اساسی دارد. در صورتی که توسط گیاه جذب نشود کلرفیل ساخته نشده و نکروز در برگها صورت می گیرد. درشرایط خیلی حاد، گیاه کاملا ضیف شده و در نهایت خشک می شود .(3) از طرف دیگر وقتی سدیم در غلطت هاي بالایی باشد آن باعث جایگزینی کاتیونهاي طبیعی کلسیم و منیزیم می شود. غلظت بالاي سدیم خاك منجر به پراکنده نمودن ذرات آلی و غیر آلی که در منافذ خاك حضور دارند می شود و آنها را به انتهاي ستون خاك می راند. در نتیجه باعث کاهش نفوذ پذیري خاك، کاهش هوادهی و افزایش جریان سطحی، هرز آب سطحی و فرسایش می گردد. افزایش فرسایش در نهایت منجر به انتقال مواد مغذي و فلزات سنگین از حاشیه جاده ها به آب هاي
سطحی می گردد .(21) غلظت بالاي سدیم (Na) در ارتباط با سایر کاتیونها، مخصوصا کلسیم (Ca)، در خاکهايSODICسودیک معمولا باعث ایجاد شرایط فیزیکی ضعیف خاك و افزایش تمایل به محبوس شدن آب می گردد و با خشک شدن خاك سفت می شود. با توجه به غلظت هاي Na، خاکهاي سودیک SODIC نیز محیط شیمیایی متفاوتی را براي
ریشه ها ایجاد می کنند که مستقیما پتانسیل ایجاد مشکل کمبود مواد مغذي را براي گیاه دارد ( .(12 در خاکهاي شهري داراي
شوري بالا، بافت گیاه افزایشی را در مقدار یونهاي سدیم و کلراید و کاهش مقدار پتاسیم، منیزیم و یونها کلسیم را نشان می دهد .(.11) بر اساس مطالعه اي که در منطقه Tahoe Basinتوهه بیسین تفاوت شدت آسیب در برابر نمک در میان گونه هاي
درختان پیچیده است. گونه هایی که بیشترین نسبت آسیب را نسبت به نمک دارند عبارتن
